Redes de Computadores Prof. Marcelo Gonçalves Rubinstein Programa de Pós-Graduação em Engenharia Eletrônica Faculdade de Engenharia Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Ementa Introdução a Redes de Computadores A Camada Aplicação A Camada Transporte A Camada Rede A Camada Enlace (A Camada Física)
Camada enlace Protocolos de enlace Fornecem comunicação entre nós (hospedeiros ou roteadores) em um enlace Serviços Enlace é um canal de comunicação entre nós adjacentes Enquadramento Controle de erros Detecção e correção de erros Controle de fluxo Endereçamento Controle de acesso ao meio
Transmissão dos dados pelos enlaces (fonte: Kurose)
Camada enlace Alguns serviços semelhantes aos serviços providos pela camada transporte Canais Ponto-a-ponto Difusão (Broadcast) Necessidade de controle de acesso ao meio compartilhado
Camada enlace Em geral, há três tipos de serviços providos Não orientado a conexões e sem confirmação Não orientado a conexões e com confirmação Orientado a conexões e com confirmação
Camada enlace Não orientado a conexões e sem confirmação Apropriado quando a taxa de erros é baixa Recuperação de perdas a cargo das camadas superiores Apropriado para tráfego de tempo real Maior parte das redes locais usa um serviço desse tipo
Camada enlace Não orientado a conexões e com confirmação Quadros são numerados Usa temporizadores para implementar a confiabilidade Usado atualmente em redes sem fio Essas redes possuem canais não confiáveis
Camada enlace Orientado a conexões e com confirmação Quadros são numerados Usa temporizadores para implementar a confiabilidade
Camada enlace Confirmação na camada enlace Questão de otimização Pode estar em camadas superiores Problema é a fragmentação dos pacotes em quadros Pode fazer com que se leve muito tempo para transmitir um pacote
Enquadramento Serviço provido pela camada física não garante que o fluxo de bits seja livre de erros Número de bits pode ser maior ou menor do que o número de bits transmitidos Bits podem ter valores diferentes dos bits transmitidos Camada enlace divide o fluxo de bits em quadros e faz uma verificação em cada quadro (detecção e correção de erros)
Enquadramento Vários métodos para marcar o início e o fim dos quadros Contagem de caracteres Octetos de flags, com inserção de octetos Flags iniciais e finais, com inserção de bits Violações de codificação da camada física Outros
Enquadramento - contagem de carac. Usa um campo no cabeçalho para especificar o número de caracteres do quadro
Enquadramento - contagem de carac. Exemplo de contagem de caracteres (fonte: Tanenbaum)
Enquadramento - contagem de carac. Problema Contagem pode ser adulterada por um erro de transmissão Mesmo com a verificação incorreta, destino não sabe onde começa o próximo quadro Solicitação de retransmissão também não adianta Destino não sabe quantos caracteres devem ser ignorados para chegar ao início da retransmissão
Enquadramento - contagem de carac. Exemplo de contagem de caracteres com um erro (fonte: Tanenbaum)
Enquadramento - contagem de carac. Quase não é utilizado
Enquadramento - octetos de flags Soluciona o problema de ressincronização após um erro Quadro começa e termina com octetos especiais (octetos de flags) Delimitadores de início e de fim de quadro
Enquadramento - octetos de flags Um quadro com octetos de flags (fonte: Tanenbaum)
Enquadramento - octetos de flags Dados binários podem conter os octetos de flags Solução transmissor da camada enlace introduz um caractere de escape especial (ESC) antes de cada octeto de flag acidental nos dados Técnica chamada inserção de octetos ou inserção de caracteres Usada no protocolo PPP
Enquadramento - octetos de flags Sequências de quadros com octetos de flags (fonte: Tanenbaum)
Enquadramento - octetos de flags Problema Depende do uso de caracteres de 8 bits
Enquadramento - flags iniciais e finais Dados podem ter um número arbitrário de bits Cada quadro começa e termina com um padrão de bits Exemplo 01111110 Quando encontra cinco bits 1 consecutivos nos dados o transmissor da camada enlace coloca um bit 0 (inserção de bits) Receptor, ao ver cinco bits 1 seguidos por um bit 0, remove o bit 0
Enquadramento - flags iniciais e finais Exemplo de inserção de bits (fonte: Tanenbaum) (a) Dados originais (b) Dados transmitidos (c) Dados recebidos após a remoção dos bits
Enquadramento - flags iniciais e finais Se o receptor perder a sincronização, basta procurar pelo padrão de bits
Enquadramento - violações de codif. Só pode ser aplicado em redes nas quais a decodificação no meio físico contém algum tipo de redundância Exemplo Bit 1 é um par alto-baixo e o bit 0 é um par baixo-alto Todo bit de dados tem uma transição intermediária, facilitando a localização dos limites de bits pelo receptor Combinações baixo-baixo e alto-alto podem ser usadas na delimitação de quadros
Controle de erros Mais comum é dar ao transmissor alguma realimentação sobre o que está se passando do outro lado Confirmações (reconhecimentos) positivas e negativas Além disso usam-se temporizadores Espera pela confirmação durante um tempo Números de sequência também são usados Várias cópias do mesmo quadro podem ser recebidas Ex.: Reconhecimentos perdidos
Controle de fluxo Duas abordagens mais comuns Controle de fluxo baseado em realimentação Controle de fluxo baseado na velocidade Mecanismo interno limita a velocidade com que os transmissores podem enviar os dados Não usa realimentação do receptor Não utilizado na camada enlace
Detecção e correção de erros Erros de transmissão frequentes Loops locais Enlaces sem fio Erros tendem a ocorrer em rajadas Vantagem Podem danificar poucos quadros Desvantagem Dificultam a correção dos erros Usam informações redundantes para detectar e corrigir erros
Detecção e correção de erros Códigos de correção de erros Bons para enlaces sem fio Retransmissão pode conter erros Ex.: correção antecipada de erros (Forward Error Correction FEC) Códigos de detecção de erros Bons para enlaces confiáveis Ex.: enlaces de fibra
Detecção e correção de erros - definições Quadro com m bits de dados e r bits de redundância Tamanho total n bits Unidade de n bits é chamada palavra de código de n bits Número de posições de bits que duas palavras diferem entre si é chamado distância (de Hamming)
Detecção e correção de erros - definições Se duas palavras de código estiverem a uma distância d uma da outra necessário corrigir d erros para converter uma na outra Em geral todas as 2 m mensagens de dados são válidas Mas nem todas as 2 n palavras de código possíveis são usadas Pode-se elaborar uma lista contendo todas as palavras válidas e localizar duas palavras de código cuja distância é mínima Distância de Hamming do código completo
Detecção e correção de erros Detecção e correção de erros dependem da distância de Hamming do código completo Para detectar d erros é necessário um código de distância d + 1 Não há como d erros de bits transformarem uma palavra de código válida em outra válida Para corrigir d erros é necessário um código de distância 2d + 1 Palavras de código válidas estarão tão distantes que, mesmo com d alterações, a palavra de código original continuará mais próxima do que qualquer outra
Detecção e correção de erros Exemplo Código contendo as seguintes palavras: 0000000000, 0000011111, 1111100000 e 1111111111 Distância igual a 5 Pode corrigir erros duplos Se detecta 0000000111 (é um erro duplo) Original deve ser 0000011111 Se detecta 0000000111 e foi transmitido 0000000000 (é um erro triplo) erro não corrigido de maneira adequada
Detecção e correção de erros - paridade Código simples de detecção de erros Bit de paridade acrescentado aos dados Escolhido de forma que o número de bits 1 da palavra de código seja par ou ímpar Receptor conta quantos bits 1 a palavra possui Se é usada a paridade par e contou um número ímpar de 1s ocorreu um número ímpar de erros Número par de erros não são detectados Código com um único bit de paridade tem uma distância igual a 2 Pode detectar erros isolados
Detecção e correção de erros - paridade Exemplo 1011010 enviado com paridade par 10110100 1011010 enviado com paridade ímpar 10110101 Como os erros ocorrem geralmente em rajada Paridade com um bit não é suficiente Solução aumenta-se o número de bits de paridade
Detecção e correção de erros - paridade Paridade bidimensional Paridade de linha Paridade de coluna Paridade dos bits de paridade Pode detectar e corrigir erros isolados Pode detectar erros duplos
Exemplo de paridade bidimensional (fonte: Kurose)