Fornece interface bem definida para a camada de rede;

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1 2.2 CAMADA DE ENLACE DE DADOS! Desempenha basicamente quatro funções: Fornece interface bem definida para a camada de rede; Organiza os dados recebidos da camada de rede em quadros (frames) a serem transmitidos na rede física (e vice-versa); Trata erros de transmissão; e Realiza controle de fluxo para evitar que receptores lentos (ou muito ocupados) sejam inundados de quadros por emissores rápidos (ou pouco ocupados). UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 1 Serviços fornecidos para a camada de rede! O principal serviço é a transferência de dados da camada de rede de uma máquina 1 para a camada de rede de uma máquina 2 (diretamente conectada à máquina 1). máquina 1 máquina 2 máquina 1 máquina Enlace virtual Enlace real (a) (b) Figura 1. (a) Comunicação virtual; (b) Comunicação real UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 2

2 ! Serviços possíveis: Sem conexão, sem confirmação: usado quando se dispõe de canais de comunicação com alta confiabilidade, como em redes locais; Sem conexão, com confirmação: usado quando se dispõe de canais de comunicação com razoável confiabilidade, como nas transmissões sem fio; Com conexão, com confirmação: usado quando se dispõe de canais de comunicação com baixa confiabilidade, como em redes telefônicas. Tratamento de Quadros! Dados recebidos da camada de rede (blocos de bytes) precisam ser enviados pelo canal de enlace de uma máquina A para uma máquina B diretamente conectada à primeira, usando-se a camada física que transmite seqüências de bits agrupadas em blocos ditos quadros (frames).! Cada quadro é precedido de um cabeçalho (sinalizadores - flags - de controle) e acrescido de um campo de verificação (checksum) que permite a detecção (e, eventualmente, a correção) de erros no quadro ao chegar no destino (imediato). UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 3! A geração de quadros pode ser: Por temporização de intervalos entre quadros, quando são inseridos intervalos de tempo entre um quadro e outro; não é muito confiável porque as redes de transmissão não garante a temporização do sistema para o usuário final; Por contagem de bytes, quando se usa um cabeçalho no quadro indicando a quantidade de bytes no mesmo; apresenta um problema sério quando os contadores dos quadros são alterados por erros de transmissão quadro 1 quadro quadro 3 (a) quadro 1 quadro quadro 3 (b) Figura 2. Enquadramento por contagem de bytes (a) sem erros, (b) com erros UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 4

3 Por utilização de byte de início e fim de quadro, com inserção de caracter de escape 1, quando se usa um ou mais bytes para marcar o início e o fim de um quadro, inserindo-se bytes de escape quando a seqüência de início e/ou fim aparece dentro dos dados transmitidos. Dado a transmitir: L U A Enquadramento: DLE STX L U A DLE ETX Dado a transmitir: L DLE A Enquadramento: DLE STX L DLE DLE A DLE ETX DLE = Data Link Escape, STX = Start of Text, ETX = End of Text Figura 3. Enquadramento com byte de início e fim 1 Método muito usado para a transmissão de caracteres de 8 bits. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 5 Por utilização de seqüência de início e fim de quadro, com inserção de bit de escape, quando se usa um padrão de bits para indicar o início e o fim de um quadro, inserindo-se bits de escape quando a seqüência de início e/ou fim aparece dentro dos dados transmitidos. Dado a transmitir: Sinalização: Enquadramento: A cada sequência de 5 bits 1 consecutivos nos dados a transmitir é inserido um bit de escape ( 0), para que nunca haja confusão com a sequência de sinalização. Figura 4. Enquadramento com seqüência de bits de início e fim UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 6

4 Por violação de codificação na camada física, usado em algumas redes locais (IEEE 802, p.ex.) onde cada bit de dados é codificado como 2 bits físicos (0 = 01, 1 = 10, 00 e 11 são codificações inválidas para dados, podendo ser usadas para início e/ou fim de quadro) Codificações inválidas Figura 5. Enquadramento por violação de codificação UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 7 Detecção e Correção de Erros! Na transmissão de dados, erros podem ocorrer por diversas razões: indução eletromagnética, falha de sincronização entre emissor e receptor, defeito de componentes, etc.! A camada de enlace de dados deve garantir uma transmissão livre de erros entre duas máquinas diretamente conectadas. Recepção do caracter ou quadro Técnica de detecção de erro Equipamento não corrige erro; pede retransmissão Tem Erro? Sim Não Pronto p/ receber novo caracter ou quadro Equipamento corrige erro Figura 6. Esquema de detecção e recuperação de erros na transmissão UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 8

5 Paridade de Caracteres! Quando se usa codificação de 7 bits em bytes de 8 bits, é possível a utilização do oitavo bit como sinalizador de paridade, de modo que a quantidade de bits 1 no byte seja par (no caso de paridade par) ou ímpar (no caso de paridade ímpar). Caracter Bit de paridade par Seqüência a transmitir Caracter Bit de paridade impar Seqüência a transmitir Figura 7. Paridade de Caracter! Este esquema permite detectar, mas não corrigir erros. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 9 Paridade Combinada! Nesse esquema, além da paridade de caracter, instala-se uma paridade para o bloco de caracteres, permitindo-se a detecção e recuperação de 1 erro por caracter, a detecção de dois erros por caracter, e havendo falha de detecção no caso de erros quádruplos, como o indicado no exemplo. M E N S A G E M BCC Bit LRC Bit VRC Figura 8. Paridade combinada - dados corretos VRC = Vertical Redundancy Checking LRC = Longitudinal Redundancy Checking BCC = Block Check Caracter UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 10

6 M E N S A G E M BCC Bit (0) (0) LRC Bit VRC 0 1 (1) Figura 9. Paridade combinada - dados com erro simples (erro recuperável) M E N S A G E M BCC Bit (0) (0) LRC Bit (0) (1) VRC Figura 10. Paridade combinada - dados com erro duplo (erro detectável) UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 11 M E N S A G E M BCC Bit (0) (1) LRC (1) (0) Bit VRC Figura 11. Paridade combinada - dados com erro quádruplo (não detectável) UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 12

7 Verificação de Redundância Cíclica (Cyclic Redundancy Checking - CRC)! É um método de detecção polinomial que permite a detecção de praticamente toda ocorrência de erros.! Idéia: os bits do quadro a ser transmitido serão coeficientes de um polinômio D(x). Esse polinômio é multiplicado pelo termo de maior grau de um polinômio gerador G(x), resultando em um polinômio D'(x), que é dividido pelo polinômio gerador G(x). O resto dessa divisão é o CRC do quadro. Na recepção, é feita a divisão, usandose o mesmo polinômio gerador G(x), e se o resto da divisão não for 0 (zero), ocorreu erro de transmissão.! Três polinômios geradores tornaram-se padrões internacionais: CRC-12 X 12 +x 11 +x 3 +x 2 +x 1 +1 Usado com caracteres de 6 bits CRC-16 X 16 +x 15 +x 2 +1 Usado com caracteres de 8 bits CRC-CCITT X 16 +x 12 +x 5 +1 Usado com caracteres de 8 bits! A utilização de geradores de 16 bits tais como CRC-16 e CRC- CCITT, detecta todos os erros de 1 ou 2 bits, todos os erros com número ímpar de bits, todos os erros em rajada de tamanho igual ou inferior a 16 bits, 99,997 % de erros em rajada de 17 bits, e 99,998 % de erros em rajada de 18 ou mais bits. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 13 Exemplo: Dado a transmitir = G(x) = x 3 + x 2 + x D(x) = 1x 7 + 0x 6 + 1x 5 + 1x 4 + 1x 3 + 0x 2 + 1x 1 + 1x 0 = x 7 + x 5 + x 4 + x 3 + x + 1 D(x) * termo de maior grau de G(x) = (x 7 + x 5 + x 4 + x 3 + x + 1) * x 3 = x 10 + x 8 + x 7 + x 6 + x 4 + x 3 = D'(x) D'(x) % G(x) = x 2 + x = = R(x) = CRC Dado transmitido = ! A aplicação de CRC é normalmente feita através de hardware. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 14

8 Medição de Erros em Canais de Comunicação! Taxa de Erro de Bit (Bit Error Rate - BER) BER = Número de bits errados Número de bits transmitidos! Taxa de Erro de Quadro (Frame Error Rate - FER) FER = Número de quadros errados Número de quadros transmitidos Erros aleatórios 10E E E E01 00E01 10E11 BER = 6 / 30 FER = 6 / 6 Erros em E E EEE0E grupo BER = 6 / 30 FER = 3 / 6 Figura 12. Figura 13. Erros aleatórios versus Erros em grupo (burst) UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 15! Testes nos canais de comunicação são realizados com o uso de software e/ou hardware (TEST-SET) geradores de padrões de bits que são transmitidos, recuperados e verificados quanto à sua integridade. Padrão de teste Linha TX Modem B Test-set Modem B Linha RX Padrão de teste Loop Figura 14. Teste de canal de comunicação UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 16

9 Controle de Fluxo! Regula o fluxo de quadros entre emissor e receptor, não permitindo que um emissor rápido (ou pouco ocupado) inunde um receptor lento (ou muito ocupado).! Essa regulagem normalmente requer algum mecanismo de realimentação do emissor por parte do receptor, de acordo com regras bem definidas. Controle de fluxo baseado em Confirmação Positiva com Retransmissão (Positive Acknowledgment - PAR)! Cada quadro enviado deve ser confirmado pelo receptor.! O emissor reenvia automaticamente um quadro se não receber a confirmação dentro de um intervalo de tempo (timeout).! Para o receptor não confundir um quadro já recebido com uma cópia retransmitida, usa-se um campo de seqüência no cabeçalho do quadro (que, nesse caso específico, somente necessita de um bit). UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 17 Emissor envia( Q1, Seq 0) === liga temporizador === recebe( ACK, Seq 0) envia( Q2, Seq 1 ) === liga temporizador === (deveria ter recebido ACK) === timeout === re-envia( Q2, Seq 1 ) recebe( ACK, Seq 1) Receptor recebe( Q1, Seq 0 ) envia( ACK, Seq 0 ) recebe( Q2, Seq 1 ) envia( ACK, Seq 1 ) recebe( Q2, Seq 1 ) === descarta Q2 === envia( ACK, Seq 1 ) Figura 15. Controle de fluxo tipo PAR! Problema 1: Gera um quadro completo (vários bits) para transmitir somente um ACK 0 ou um ACK 1 (dois bits seriam suficientes).! Problema 2: Desperdiça muita banda de transmissão porque a transmissão é half-duplex. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 18

10 Banda = 50 Kbps Atraso de transmissão (ida e volta) = 500 mseg (típico de satélite) Tamanho do quadro = 1000 bits Tempo de sinalização do quadro = 1000 / = 0,020 seg = 20 mseg Tempo de transmissão = 250 mseg Tempo de entrega no receptor = = 270 mseg Tempo de confirmação no emissor = = 520 mseg Tempo de espera do emissor = 500 / % Controle de fluxo baseado em Janela Deslizante (Sliding Window)! Melhora 1: envia confirmação do quadro anterior da máquina A para a máquina B junto com um quadro da máquina B para a máquina A. Se não houver nada a ser transmitido de B para A, envia um ACK isolado. Essa técnica é chamada de piggybacking.! Melhora 2: envia vários quadros (N) antes de obter a confirmação; conforme forem sendo confirmados, continua a transmitir, de modo que em um dado instante possa existir N quadros pendentes de confirmação. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 19 Máquina A envia( Q1A, Seq 1, Ack 0 ) === liga temporizador Q1A === envia( Q2A, Seq 2, Ack 0 ) === liga temporizador Q2A === envia( Q3A, Seq 3, Ack 0 ) === liga temporizador Q3A === recebe( Q1B, Seq 1, Ack 1 ) envia( Q4A, Seq 4, Ack 1 ) === liga temporizador Q4A === recebe( Q2B, Seq 2, Ack 2 ) envia( Q5A, Seq 5, Ack 2 ) === liga temporizador Q5A === recebe( Q3B, Seq 3, Ack 3 ) envia( Q6A, Seq 6, Ack 3 ) === liga temporizador Q6A === Máquina B recebe( Q1A, Seq 1, Ack 0 ) envia( Q1B, Seq 1, Ack 1 ) === liga temporizador Q1B === recebe( Q2A, Seq 2, Ack 0 ) envia( Q2B, Seq 2, Ack 2 ) === liga temporizador Q2B === recebe( Q3A, Seq 3, Ack 0 ) envia( Q3B, Seq 3, Ack 3 ) === liga temporizador Q3B === Figura 16. Controle de fluxo por Janela Deslizante (N=3) UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 20

11 Banda = 50 Kbps Atraso de transmissão (ida e volta) = 500 mseg Tamanho do quadro = 1000 bits Tempo de sinalização de 10 quadros = 10*1000/50000=0,200seg=200 mseg Tempo de transmissão = 250 mseg Tempo de entrega no receptor (1 o. quadro) = = 270 mseg Tempo de confirmação no emissor (1 o. quadro) = = 540 mseg Tempo de espera do emissor = 340 / %! É fácil concluir que a combinação [grande atraso de transmissão, banda larga e quadro pequeno] é desastrosa em termos de utilização de um canal de comunicação.! Com a escolha apropriada da quantidade de quadros a transmitir sem confirmação (N), pode-se ter o emissor transmitindo continuamente (basta que o emissor receba a confirmação do primeiro quadro da janela logo após terminar de sinalizar o último quadro. Quanto seria N para esse exemplo?).! Essa técnica é chamada de pipelining. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 21! No caso da ocorrência de erro em algum quadro, pode-se: Ignorar toda a seqüência de quadros a partir do errado; não confirmar a recepção; aguardar a retransmissão de todos os quadros a partir do errado (técnica go back n). É um procedimento ruim para canais de comunicação com muito erro. Guardar os quadros da seqüência após o quadro errado; não confirmar o quadro errado; aguardar a retransmissão do mesmo (técnica seletive repeat). É um procedimento bem mais eficiente em termos de aproveitamento de banda, mas requer mais memória no nível de enlace do receptor.! Vamos ver a seguir um exemplo de um protocolo de enlace tipo PAR muito simples usado em canais unidirecionais.! Vamos supor que SEQUENCIA, QUADRO, PACOTE e EVENTO são tipos de dados pré-definidos. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 22

12 void emissor( void ) { SEQUENCIA prox_quadro_a_enviar; QUADRO quadro; PACOTE pacote; EVENTO evento; prox_quadro_a_enviar = 0; Obtenha( pacote, Camada_de_Rede ); while( true ) { quadro.info = pacote; quadro.seq = prox_quadro_a_enviar; } } Envie( quadro, Camada_Fisica ); Inicialize_temporizador( quadro.seq ); Espere_evento( evento ); // chegada de quadro, erro crc, timeout If( evento == chegada_de_quadro ) { Receba( quadro, Camada_Fisica ); If( quadro.ack == prox_quadro_a_enviar ) { Obtenha( pacote, Camada_de_Rede ); Incremente( prox_quadro_a_enviar, MOD_1 ); } } UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 23 void receptor( void ) { SEQUENCIA quadro_a_receber; QUADRO quadro, q_ack; PACOTE pacote; EVENTO evento; quadro_esperado = 0; while( true ) { Espere_evento( evento ); // chegada de quadro ou erro crc If( evento == chegada_de_quadro ) { Receba( quadro, Camada_Fisica ); If( quadro.seq == quadro_esperado ) { Pacote = quadro.info; Entregue( pacote, Camada_de_Rede ); q_ack.ack = quadro_esperado; Incremente( quadro_esperado, MOD_1 ); } } } } Envie( q_ack, Camada_Fisica ); UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 24

13 EXEMPLOS DE PROTOCOLOS DE ENLACE DE DADOS HDLC - High-level Data Link Control! Protocolo derivado do SDLS (Syncronous Data Link Control) usado na arquitetura SNA da IBM.! Foi adotado e modificado pelo CCITT para produzir o LAP (Link Access Procedure) usado como parte da arquitetura de rede X.25.! Todos são protocolos orientados a bit, usando inserção de bit (insere um bit 0 após cada seqüência de cinco bits 1) para a transparência de dados.! Todos usam a estrutura de quadro indicada na figura abaixo. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 25 Bits >= Endereço Controle Dados CRC Figura 17. Quadro HDLC! Endereço: em canais compartilhados, é usado para identificar emissor/receptor. Em canais ponto-a-ponto, pode ser usado para diferenciar comandos de respostas.! Controle: é usado para o envio de números de seqüência, reconhecimento (ACK) e outras informações.! Dados: contem os dados (pacote da camada de rede) a serem transportados. Pode ser vazio.! CRC: contêm verificação de erros, usando Cyclic Redundance Check com polinômio gerador CRC-CCITT.! : seqüência delimitadora do quadro. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 26

14 SLIP - Serial Line Internet Protocol! Criado por Rick Adamns em 1984 para conectar estações de trabalho SUN na Internet através de uma linha telefônica.! É um protocolo orientado a caracter, com inserção de byte (0xDB, 0xDC) para transparência de dados.! Tem uma estrutura de quadro muito simples. Bytes 1 >= 1 1 0xC0 Dados 0xC0 Figura 18. Quadro SLIP! Embora ainda seja bastante usado, tem vários problemas: Não detecta e/ou corrige erro; Só transporta datagramas IP (Internet); Não negocia endereçamento (cada lado precisa conhecer seu parceiro antecipadamente); Não tem nenhum mecanismo de autenticação; Não é um padrão aprovado pela Internet (existem várias versões incompatíveis). UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 27 PPP - Point to Point Protocol! É um protocolo de enlace proposto IETF para suprir as deficiências do SLIP. O PPP fornece: Um método de enquadramento que delimita o início/fim de cada quadro com um padrão de bits; Um controle de enlace para "ativar" a linha de comunicação, testá-la, negociar opções e "desativá-la" quando não mais necessária. Isso é feito pelo subprotocolo LCP (Link Control Protocol); Um mecanismo de negociação de opções de rede, de modo independente do protocolo de rede adotado. Isso é implementado por um NCP (Network Control Protocol) para cada nível de rede suportado. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 28

15 ! Um exemplo típico de uso é o acesso a provedores de acesso Internet por usuários domésticos: Discagem ao provedor via modem; Estabelecimento de conexão física entre modems; Seqüência de pacotes LCP é enviada em um ou mais quadros PPP para estabelecer parâmetros para a conexão física (velocidade máxima, tamanho de quadro, tamanho de janela, etc.); Seqüência de pacotes NCP é enviada para configurar o nível de rede. Tipicamente, é usada para obter endereço IP do usuário, obter endereço IP do provedor, obter endereço IP do servidor de nomes, etc.; Liberação do tráfego IP; UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 29! PPP é muito semelhante em estrutura ao HDLC, sendo orientado a byte. A estrutura de um quadro PPP vista na figura 40 a seguir. Bytes ou 2 variável 1 ou Endereço Controle Protocolo Dados CRC ! Onde: Figura 19. Quadro PPP Endereço: sempre fixo em ; Controle: normalmente fixo em , indicando quadro não numerado; Protocolo: LCP, NCP, IP, IPX, AppleTalk, etc.; Dados: carga útil (default=1500 bytes); CRC: verificação de erros. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 30

16 2.3.1 SUBCAMADA DE ACESSO AO MEIO - REDES DE DIFUSÃO! Trata dos problemas e protocolos para acesso ao meio (ou canal) de comunicação em redes de difusão, onde múltiplos usuários (estações) tem de competir entre si para usar o meio de transmissão.! Os protocolos usados para determinar quem usa a rede na próxima vez pertencem à subcamada de acesso ao meio, chamada de controle de acesso ao meio (MAC - Medium Access Control). Problema da Alocação do Canal! Como controlar o acesso a um canal de transmissão compartilhado por N usuários? UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 31 Alocação Estática de Canal em LANs e MANs! Idéia: dividir a banda passante (W) em N faixas, usando FDM.! Problemas: 1) Diminui a taxa de transmissão disponível para cada usuário (banda passante de cada usuário passa a ser W/N), logo a taxa de transmissão é menor; 2) Quando um usuário não transmite, o canal é desperdiçado (vai acontecer muito porque o tráfego típico em LAN/MAN é em rajada). UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 32

17 Alocação Dinâmica de Canal em LANs e MANs! Definições: Modelo de Estações (Station Model): N estações independentes, cada uma com um programa/usuário gerando quadros para transmissão; Presunção de Canal Único (Single Channel Assumption): um único canal está disponível para transmissão/recepção das N estações; Presunção de Colisão (Collision Assumption): dois quadros transmitidos ao mesmo tempo colidem e são deteriorados, exigindo retransmissão; UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 33 Transmissão em Tempo Contínuo (Continous Time): um quadro pode ser transmitido a qualquer tempo. Não existe um relógio mestre dividindo o tempo em intervalos discretos (fatias); Transmissão em Tempo Fatiado (Slotted Time): um quadro só pode ser transmitido em uma fatia de tempo. Uma fatia de tempo pode conter 0, 1 ou mais quadros, indicando uma fatia vazia, com um quadro ou colisão, respectivamente; Transmissão com Teste de Portadora (Carrier Sense): uma estação pode testar se o canal está livre para, somente nesse caso, iniciar sua transmissão; Transmissão sem Teste de Portadora (No Carrier Sense): uma estação não pode testar se o canal está livre. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 34

18 PROTOCOLOS DE ACESSO MÚLTIPLO ALOHA (1970)! Um dos primeiros a ser desenvolvido. Princípio de funcionamento de uma estação que quer transmitir um quadro: Estação transmite quadro; Estação escuta o canal para receber o quadro que ela mesma transmitiu; Se receber o quadro, a transmissão foi um sucesso; Se não receber, houve colisão. Espera um tempo aleatório (crescente) e retransmite.! Esse sistema é chamado de transmissão com contenção.! Eficiência: aproximadamente 18 % UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 35 ALOHA Fatiado (1972)! Princípio de funcionamento de uma estação que quer transmitir um quadro: Estação aguarda marca de tempo para poder transmitir o quadro; O restante do comportamento é igual ao ALOHA.! Eficiência: aproximadamente 36 % CSMA - Carrier Sense Multiple Access (1-persistente)! Princípio de funcionamento de uma estação que quer transmitir um quadro: Estação testa o canal para ver se está livre; Se estiver ocupado, aguarda ficar livre testando continuamente; O restante do comportamento é igual ao ALOHA.! Eficiência: aproximadamente 50 % UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 36

19 CSMA (Não persistente)! Princípio de funcionamento semelhante ao CSMA, só que quando o canal está ocupado, aguarda um tempo aleatório (crescente) antes de tentar de novo.! Eficiência: aproximadamente 85% (mas com atraso alto). CSMA (p-persistente)! Usado em canais fatiados no tempo. Princípio de funcionamento: Estação aguarda fatia de tempo para transmitir, e transmite com probabilidade p. Com probabilidade q = 1 - p, deixa para transmitir na próxima fatia de tempo (não tem o que transmitir). Quando ocorre colisão, aguarda tempo aleatório (crescente) para retransmitir.! Eficiência: aproximadamente 70% com p = 0,5, 90% com p=0,1 e 95% com p=0,01. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 37 CSMA-Collision Detection! Idéia: além de não iniciar a transmissão com o canal ocupado, interrompe uma transmissão tão logo seja detectada colisão.! Quando ocorre colisão, aguarda um tempo aleatório (crescente) para retransmitir.! É a base do IEEE (Ethernet). UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 38

20 Protocolos Livres de Colisão Protocolo Bit-Map! Cada estação i = 1, 2,... N manifesta seu desejo de transmitir assinalando a i-ésima entrada de um "quadro de controle" de N bits com um bit 1.! Após as N estações indicarem seu desejo de transmitir, elas são liberadas para transmitir em ordem numérica, de acordo com o quadro de controle.! Se uma estação ficar pronta para transmitir após a passagem do quadro de controle, azar o dela. Deve aguardar o próximo quadro de controle.! Protocolos desse tipo são chamados de protocolos de reserva. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 39 quadro de dados quadro de controle tempo Figura 20. Protocolo Bit-Map UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 40

21 Protocolo Binary Countdown! Cada estação que quiser transmitir faz uma difusão de seu endereço (um bit por vez). Os vários endereços difundidos são operados logicamente com OR.! Processados da esquerda para a direita (mais alta ordem primeiro), toda vez que uma estação com bit 0 for superada por uma estação com bit 1, desiste de usar.! A estação que permanecer no páreo sozinha ganha o direito de transmitir, transmite, e inicia-se outro ciclo de disputa. Estação Endereço T0 T1 T2 T3 A 2 ( ) B 4 ( ) C 9 ( ) D 10 ( ) D vence e transmite UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 41 Padrão IEEE 802 para LANs e MANs! O IEEE 802 é uma série de padrões internacionais para protocolos de acesso ao meio em LANs e MANs. Os principais são: 802.1, que descreve o conjunto como um todo, definindo as primitivas de interface; 802.2, que descreve a parte superior do nível de enlace, usando o protocolo LLC (Logical Link Control); 802.3, que descreve o padrão CSMA/CD (base do Ethernet); 802.4, que descreve o padrão token bus; e 802.5, que descreve o padrão token ring. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 42

22 IEEE 802.2! Os padrões IEEE 802 para LANs e MANs oferecem o serviço de melhor esforço de entrega, sem garantia, que pode ser usado sem problemas em redes TCP/IP (porque os níveis superiores tem mecanismos de controle de erro). Algumas redes, porém, podem necessitar de um enlace de dados com algum controle de erro e fluxo.! Para elas, foi definido o padrão 802.2, que implementa tais controles através do protocolo LLC (Logical Link Control) que, inclusive, esconde do nível de rede as características específicas de cada tecnologia de transporte de dados. O LLC oferece os serviços: sem conexão/não confiável, sem conexão/confiável e com conexão/confiável. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 43 Nível de Rede Pacote Nível de Enlace LLC MAC LLC Pacote MAC LLC Pacote Nível Físico (a) Rede física (b) Figura 21. (a) Posição do LLC, (b) Formato do LLC UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 44

23 IEEE e Ethernet! O IEEE padroniza rede local usando CSMA/CD (1- persistente), sendo originado do ALOHA (1970), acrescido de Carrier Sense (1976), sendo chamado com freqüência de Ethernet.! O cabeamento utilizado é o indicado na tabela abaixo. Padrão 10base5 10base2 10baseT 10baseF Cabo Coaxial grosso Coaxial fino Par trançado Fibra ótica Distância Máxima 2 Número máximo de Estações Observação Quase não mais usado, alta imunidade a ruído, 10 Mbps Mais barato, alta imunidade a ruídos, 10 Mbps Mais usado, média imunidade a ruído, 10 a 100 Mbps O mais caro, totalmente imune a ruído, 10 a 622 Mbps 2 EM um segmento. Pode-se usar até 4 repetidores de sinal, num total de 5 segmentos. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 45! A codificação usada segue dois padrões: Manchester e Manchester Diferencial. Dados Codificação binária Codificação Manchester Codificação Manchester Diferencial transição => bit 0 sem transição => bit 1 Figura 22. Codificação de dados IEEE UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 46

24 ! O enquadramento é mostrado na figura abaixo. Bytes a 6 2 a a a 46 4 Preâmbulo Início Ender. Destino Ender. Origem Tamanho dos Dados Dados Preenchimento CRC Preâmbulo é sete vezes , na codificação Manchester, que gera uma onda quadrada de 10 MHz, visando a sincronização entre receptor e emissor; Início ( ) é marca de início de quadro; Endereço Destino, é o endereço da estação receptora. Cada estação tem um endereço associado à sua interface de rede (placa de comunicação). No endereçamento, o bit de mais alta ordem é 0 (zero) para endereços normais e 1 (um) para endereços em grupo. Endereços de grupo permitem endereçar várias estações ao mesmo tempo, num esquema dito de multidifusão (multicast). O endereço destino com todos os bits 1 é reservado para endereçar todas as estações ao mesmo tempo - difusão (broadcast); Endereço Origem, é o endereço da estação emissora; UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 47 Tamanho dos Dados, é quantidade de bytes transmitidos como Dados; Dados, são os dados a serem transportados; Preenchimento, são usados na medida do necessário para que um quadro tenha um tamanho mínimo de 64 bytes (em redes de 10 Mbps). Um quadro muito pequeno poderia ser transmitido totalmente antes de chegar ao seu destino mais longo, gerando uma colisão caso a estação localizada no destino mais longo (cabo) resolvesse transmitir; CRC, é a verificação de erros. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 48

25 ! O tratamento de colisão é feito usando-se o Algoritmo Binary Exponential Backoff. Início Fatia-de-tempo = tempo de 1 quadro percorrer o cabeamento; Transmissão; Enquanto houver colisão, Início 1 a. Colisão) espera 0 ou 1 Fatia-de-tempo; 2 a. Colisão) espera 0, 1, 2 ou 3 Fatia-de-tempo; 3 a. Colisão) espera 0, 1,..., 7 Fatia-de-tempo;... N a. Colisão) Espera 0, 1,..., 2 N - 1 Fatia-de-tempo, para N 10 sempre. Transmissão; Fim Fim! O algoritmo é adaptativo à quantidade de colisões. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 49! A eficiência do (a 10 Mbps, com quadro mínimo de 64 bytes) é indicada na figura abaixo. Quadro Eficiência do canal 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Estações tentando transmitir 1024 bytes 512 bytes 256 bytes 128 bytes 64 bytes Figura 23. Eficiência do IEEE UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 50

26 Redes Locais Comutadas! O crescimento do número de estações em rede implica no crescimento do tráfego; quando satura, o que fazer?! Aumentar a capacidade da rede de 10 Mbps (Ethernet) para 100 Mbps (Fast Ethernet), implica em trocar todas as interfaces de rede e trocar o concentrador (hub).! Utilizar tecnologia de comutação de circuito através de comutadores (switchs) Ethernet é uma solução bastante adotada para preservar o investimento em interfaces de comunicação, obtendo-se um ganho considerável de performance. UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 51 Hub O O O O O Figura 24. Comutador Ethernet UFPB / CCT / DSC / PSN, 2001 * Parte 2: Arquitetura - Camada de Enlace * Pág. 52