MAC. Controle de acesso ao meio. Alocação estática e dinâmica. Tipos de transmissão. Controle de acesso ao meio. MAC Medium Access Control

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1 MAC Controle de acesso ao meio Marcos Augusto Menezes Vieira Camada de Enlace dividida em: MAC - Medium Access Control na camada inferior LLC - Link Logical Control com funções de controle lógico do enlace Controle de acesso ao meio MAC Medium Access Control Coordenação do acesso ao meio Sub-camada da camada de enlace Acesso de vários terminais (ou estações) a um mesmo canal Problema: Como alocar um único canal difusão entre vários usuários? Meio compartilhado em redes locais 1973 Robert Metcalfe tese 1976 XEROX, DEC e Intel Ethernet GM automatizou a sua linha de produção token-bus IBM adota padrão de rede token-ring Tipos de transmissão Unicast: um envia para um Broadcast: um envia para todos Multicast: um envia para vários Em geral: unicast e broadcast somente Custo de broadcast = custo de unicast! Meio compartilhado Endereço de broadcast: todas as estações respondem a ele Alocação estática e dinâmica Estático Simples Ineficiente Dinâmico Meio compartilhado Complexo Potencialmente mais eficiente

2 Alocação dinâmica de canal Premissas 1. Estações: Existem n estações independentes que geram quadros a serem transmitidos A estação fica bloqueada até o quadro ser totalmente transmitido Alocação dinâmica de canal Premissas 2. Único canal de comunicação: Todas estações compartilham um único canal de comunicação para transmissão e recepção Do ponto de vista de hardware, as estações são equivalentes Do ponto de vista de software, as estações podem ter prioridades Aspecto fundamental do estudo 7 8 Alocação dinâmica de canal Premissas 3. Colisões: A transmissão simultânea de dois ou mais quadros por estações diferentes causa uma colisão Estações são capazes de detectar colisões Quadros envolvidos em colisões devem ser transmitidos posteriormente Alocação dinâmica de canal Premissas 4. Política de transmissão de quadros ao longo do tempo: Qualquer instante (continuous time) Instantes pré-determinados (slotted time) 9 10 Alocação dinâmica de canal Premissas 5. Detecção de portadora para transmissão de quadro: Com detecção (carrier sense) Sem detecção (no carrier sense) Colisão Meio compartilhado Colisão Ciclo: Em t 0 uma estação termina sua transmissão A estação A transmite seu quadro na rede Em t 0 + (t p - t p ) a estação B inicia sua transmissão Haverá colisão do quadro A e B B envia sinal de colisão para a rede A estação A detectará colisão após um tempo (2 t p - t p ) 11

3 ALOHA puro ALOHA puro In pure ALOHA, frames are transmitted at completely arbitrary times. Vulnerable period for the shaded frame. ALOHA puro e com slots ALOHA com slots Muitas colisões: não verifica se o meio está livre Slotted ALOHA Tempo dividido em unidades Transmissão ocorre somente no início de uma unidade Menor vulnerabilidade dos quadros Protocolo CSMA 1-persistent Princípio Uma estação ao desejar transmitir escuta o canal Se estiver ocupado espera até ficar livre Transmite o quadro quando o canal fica livre Protocolo CSMA 1-persistent É chamado 1-persistent porque sempre transmite ao verificar que o canal está desocupado, ou seja, Probabilidade = 1 de transmitir, se canal está livre Se ocorre uma colisão, a estação espera um tempo aleatório e começa o processo todo novamente O tempo de propagação tem um efeito importante no desempenho do protocolo 17 18

4 Protocolo CSMA não persistente Similar ao 1-persistent Protocolo CSMA p-persistent É usado em canais com slots (períodos de tempo) Diferença: Ao verificar que o canal está ocupado espera um período de tempo aleatório e começa o processo novamente Método menos guloso que tem um desempenho melhor que o 1-persistent Princípio do p-persistent: Estação escuta o canal Se livre, transmite com probabilidade p Senão, espera até o próximo slot (q = 1 p) Repete o processo novamente no próximo slot Se ocorre colisão, a estação espera um tempo aleatório e repete o processo Desempenho CSMA CSMA Carrier Sense Multiple Access Estações escutam o meio por curto período antes de transmitir, procurando identificar transmissões em curso Problema: colisões Solução: políticas de atraso da transmissão (back-off) Comparison of the channel utilization versus load for various random access protocols. CSMA/CD e CSMA/CA Protocolo CSMA/CD CSMA/CA: collision avoidance Receptor identifica colisão pelo checksum CSMA/CD: collision detection Transmissor identifica colisão Transmissão de código de colisão (jamming) CD Collision Detection Melhoria introduzida: Uma estação ao detectar colisão pára de transmitir imediatamente o quadro Economiza tempo e BW CSMA/CD consiste em alternar períodos de contenção e transmissão Foi padronizado como IEEE (Ethernet) 24

5 Protocolo CSMA/CD Questão importante: quanto tempo uma estação deve esperar para saber se houve uma colisão ou não? 2x o tempo de propagação no cabo de ponta-aponta Conclusão importante: Uma colisão não ocorre após esse período de tempo Colisões afetam o desempenho do sistema principalmente em cabos longos e quadros curtos 26 Ethernet IEEE Evolução da Ethernet Baseado no padrão Ethernet de 10 Mbps proposto pela Xerox, DEC e Intel This diagram was hand drawn by Robert M. Metcalfe and photographed by Dave R. Boggs in 1976 to produce a 35mm slide used to present Ethernet to the National Computer Conference in June of that year. On the drawing are the original terms for describing Ethernet. Further information about the origins of Ethernet can be found in the reprinted from "Communications of the ACM" of Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks by Robert M. Metcalfe and David R. Boggs. Padrão IEEE Ano Descrição Mbps cabo coaxial 802.3i Mbps par trançado 802.3j Mbps fibra ótica 802.3u Mbps Fast Ethernet 802.3ab Gbps par trançado 802.3an Gbps par trançado Source:

6 Ethernet - cabeamento Ethernet estrutura de quadro Endereço MAC: 3 primeiros bytes identificam o fabricante 3 últimos bytes identificam o modelo e número de série da placa Frame formats. (a) DIX Ethernet, (b) IEEE (a) 10Base5, (b) 10Base2, (c) 10Base-T. Protocolo IEEE Preâmbulo ( ) usado para sincronização entre RX e TX Início de quadro: Endereço: bit 47 = 0: para outra estação bit 47 = 1: multicast todos bits = 1: broadcast bit 46 = endereço local ou global 33 Protocolo IEEE Pad: Campo de dados deve ser 46 Caso contrário, pad = 46 esse valor Prevenir que uma estação termine de transmitir um quadro antes do primeiro bit chegar no extremo do cabo e ocorra uma colisão 34 Padding e colisões Protocolo IEEE Por que 64 bytes? Collision detection can take as long as 2 τ. Para uma rede a 10 Mbps, comprimento máximo de 2500 metros, e quatro repetidores Tempo mínimo de transmissão = 51 µs Tamanho mínimo do quadro = 64 bytes 36

7 Protocolo IEEE 802.3: Algoritmo de espera Ao ocorrer uma colisão, as estações devem esperar (sortear) um intervalo de tempo de espera Modelo: Tempo é dividido em intervalos (slots) = 51.2 µs Protocolo IEEE 802.3: Algoritmo de espera Slots de espera: Número inteiro no intervalo [0.. 2 c 1], onde c é o número de colisões consecutivas Para c de 10 a 16 o n o máximo de slots é 1023 Valor máximo de c é 16, quando a tentativa de transmitir é encerrada Algoritmo (binary exponential backoff) Eficiência da Ethernet Efficiency of Ethernet at 10 Mbps with 512-bit slot times. Hub Primeira geração - apareceu por volta de 1984 e era utilizada para conectar vários segmentos de rede local. Segunda geração - com gerenciamento local e remoto dos segmentos de rede a ele conectados, permiti a interligação de arquiteturas diferentes de redes locais, como Ethernet e Token Ring. Terceira geração - são os Hubs inteligentes. Quarta geração - de Hubs é a dos chamados switch-hubs. Enviam os dados somente à porta correta 42

8 LANs comutadas Solução quando o tráfego cresce a um ponto que a rede satura Comutador (switch) típico: Backplane de alta velocidade (> 1 Gbps) 4 a 32 cartões de linha Cada cartão com 1 a 8 conectores Conexão 10Base-T 44 Switch Switch Funcionamento: Para cada porta de entrada é mantido um buffer Os quadros recebidos armazenados em RAM a medida que chegam Após algum tempo na LAN monta a sua tabela de quadros na memória RAM Verifica se o quadro recebido pertence àquela porta ou se destina a outra porta Se pertence, o quadro é enviado diretamente para o destino Se não pertence, o quadro é transmitido através de seu barramento interno para a porta correta Switch - aprendizado Switch - algoritmo Um switch possui uma tabela de switch Entrada na tabela do switch: (endereço MAC, interface, marca de tempo) Entradas expiradas na tabela são descartadas (TTL pode ser 60 min) Switch aprende quais hospedeiros podem ser alcançados através de suas interfaces Quando recebe um quadro, o switch aprende a localização do transmissor: segmento da LAN que chega Registra o par transmissor/localização na tabela Quando um switch recebe um quadro: indexa a tabela do switch usando end. MAC de destino if entrada for encontrada para o destino then{ if dest. no segmento deste quadro chegou then descarta o quadro } else encaminha o quadro na interface indicada else flood

9 Switches e roteadores Ambos são dispositivos store-and-forward Roteadores: dispositivos de camada de rede (examinam cabeçalhos da camada de rede) Switches são dispositivos da camada de enlace Roteadores mantêm tabelas de roteamento, implementam algoritmos de roteamento Switches mantêm tabelas de switch, implementam filtragem, algoritmos de aprendizagem Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet 25m! 25m = Distância que permite detecção de erro para transmissão de 64 bytes a 1Gbps Padrão: aumento para 200m Padding para 512B: eficiência de 9%! Envio em rajadas Porque somente 25m de alcance? Na prática: conexão a switches Não ocorre colisão Alcance limitado pela atenuação Características do padrão IEEE Possui um comportamento não determinístico o que faz com que o pior caso não seja conhecido a priori Na prática depende de como o padrão é implementado Quadros não possuem prioridades Token ring Não é adequado para aplicações de tempo real como o padrão foi proposto Na prática depende de como o padrão é implementado 53

10 Token ring 4-16 Mbps Desenvolvida pela IBM Suporta até 260 estações Desenhada para redes com tráfego frequente de dados Token ring Regeneração do token: estação mestre Número de tokens variável em redes mais rápidas Passagem de fichas - atualmente Redes de computadores pouco uso Domínio da Ethernet e do WiFi Redes de automação industrial

11 Topologias Fim-a-fim: conexão um sensor com um controlador IEEE

12 Redes sem fio Redes sem fio Infraestruturada: Backbone fixo, com fio Dispositivos móveis comunicam diretamente com os pontos de acesso (AP) Adequado para locais onde APs podem ser instalados Sem infraestrutura (ad hoc): Backbone sem fio Dispositivos móveis comunicam diretamente entre si: Elementos são móveis e servem como roteadores Fácil instalação AP AP Infraestruturada AP: Access Point AP 67 Ad hoc 68 Pilha de protocolos Wireless LANs A wireless LAN. (a) A transmitting. (b) B transmitting. IEEE Problema da estação escondida B transmite para A C deseja transmitir para A C não escuta transmissão de B Colisão B A C IEEE Problema da estação exposta A transmite para B C deseja transmitir para D C escuta transmissão de A C espera B A C D 71 72

13 MACA RTS/CTS The MACA protocol. (a) A sending an RTS to B. (b) B responding with a CTS to A Espaço entre quadros modos DCF contenção entre estações PCF sem contenção Coordenador aloca transmissões Beacon Também serve para transmissão do SSID

14 quadro IEEE

15 Bluetooth (IEEE ) IEEE e Bluetooth Padrão Bluetooth: Projetado para substituir cabos usados para conectar diferentes dispositivos como telefone, computador, câmera, impressora, máquinas de café, etc Propõe uma solução (pilha) completa, i.e., da camada física à camada de aplicação Bluetooth é uma rede ad hoc Padrão IEEE : Similar ao Bluetooth, exceto que trata apenas das camadas física e MAC 87 Piconet Bluetooth Topologia de rede Exemplo de uma piconet onde os círculos M (master), S (slave), P (park) e Sb (standby) representam um rádio Bluetooth Piconet Scatternet Rádios estão conectados entre si numa piconet Piconet formada por um rádio mestre e até sete escravos 89 90

16 Formação de uma rede Formação de uma rede Rádios Bluetooth são simétricos Qualquer rádio Bluetooth pode ser um mestre ou um escravo A configuração da Piconet é determinada no momento de sua formação Tipicamente, o rádio que estabelece a conexão é o mestre A função de troca mestre/escravo permite que os papéis sejam trocados 91 Um dispositivo só pode ser o mestre em uma dada piconet Rádio Bluetooth precisa entender dois parâmetros para formar uma piconet: Padrão de pulo (hopping pattern) do rádio que se deseja conectar Fase dentro desse padrão 92 Formação de uma rede Rádio Bluetooth possui um identificador global único que é usado para criar um padrão de pulo Formação de uma rede Uma estação é mestre somente durante uma conexão Ao se formar uma piconet, o rádio mestre compartilha o identificador global com outros rádios, que passam a ter o papel de escravos provê a todos os rádios o padrão correto de pulo Mecanismos de gerenciamento de enlace permitem a unidades de rádio usar TDM e agir como pontes entre piconets, formando uma scatternet Formação de uma rede Bluetooth pilha de protocolos Também existem mecanismos que permitem às estações (mestre e escravo) requisitarem e aceitarem novas conexões Objetivo é permitir a criação de múltiplos cabos virtuais ao invés de uma substituição de um único cabo 95

17 Bluetooth - perfil Quadros do bluetooth Bridge Equipamentos: bridges, Switches... Bridge diferentes quadros Ligação de redes com bridges

18 Os equipamentos de uma rede...