RC - SL05 - Camada de Enlace e Redes Locais

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Slide 05 da unidade 05 sobre Camada de Enlace e Redes Locais. redes, computadores, enlace, ethernet, ppp, mac

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RC - SL05 - Camada de Enlace e Redes Locais

  1. 1. Universidade Federal da Paraíba Centro de Ciências Aplicadas e Educação Departamento de Ciências Exatas Redes de Computadores: Camada de Enlace e Redes Locais Prof. Rafael Marrocos Magalhães rafael@dce.ufpb.br 10 de Novembro de 2011 UFPB - CCAE - DCE Esta apresentação contém partes, ou mesmo slides inteiros, da apresentação original disponibilizada por J.F Kurose e K.W. Ross, com permissão para utilização como material de apoio instrucional. E, conforme solicitação do original, incluí aqui a nota de direito autoral.quinta-feira, 10 de novembro de 11 1
  2. 2. Motivação Como os dados trafegam nas redes locais?quinta-feira, 10 de novembro de 11 2
  3. 3. Sumário Introdução e serviços Detecção e correção de erros Protocolos de acesso múltiplo Endereçamento na camada de enlace Ethernet Comutadores de camada de enlace PPPquinta-feira, 10 de novembro de 11 3
  4. 4. A camada de enlace Objetivos desta Unidade 5 Objetivos do capítulo: !  entender os princípios por trás dos serviços da camada de enlace de dados: "  detecção e correção de erro "  Compartilhamento de um canal de broadcast: acesso múltiplo "  endereçamento da camada de enlace "  transferência de dados confiável, controle de fluxo: feito! !  instanciação e implementação de várias tecnologias da camada de enlacequinta-feira, 10 de novembro de 11 4
  5. 5. Sumário Introdução e serviços Detecção e correção de erros Protocolos de acesso múltiplo Endereçamento na camada de enlace Ethernet Comutadores de camada de enlace PPPquinta-feira, 10 de novembro de 11 5
  6. 6. mada dede enlace: Camada enlace:trodução de enlace: Terminologia Camada introdução introduçãouma terminologia: Alguma terminologia:ospedeirosterminologia: são nós ! Alguma e roteadores são nós hospedeiros e roteadores ! ! canais de comunicação que se nósanais hospedeiros e roteadores são de comunicação que se ! conectam acomunicação que pelo canais nós nós adjacentes seonectam a de comunicação são enlaces adjacentes pelo caminho de a nós adjacentes pelo conectamaminhoenlaces com fio de comunicação são enlaces "  caminho de comunicação são enlaces"  enlaces comsem fio "  "  enlacesfio fio enlaces com"  enlaces sem fio fio LANs "  "  enlaces sem" !  pacote na camada-2 é um quadro, LANs LANs "  ! encapsula datagrama é um quadro,acotepacote na camada-2 quadro, na camada-2 é um encapsula datagramancapsula datagrama dados tem a Camada de enlace de responsabilidade de transferirtem a Camada de enlace de dados ummada de enlace de dados temum responsabilidade de transferir a datagrama de um nó ao nó adjacenteponsabilidade de transferir um por um enlace. um nó ao nó adjacente datagrama de por um enlace. agrama de um nó ao nó adjacente um enlace. quinta-feira, 10 de novembro de 11 6
  7. 7. Serviços (1/2) Serviços da camada de enlace !  enquadramento, acesso ao enlace: "  encapsula datagrama no quadro, incluindo cabeçalho, trailer "  acesso ao canal de meio compartilhado "  endereços “MAC” usados nos cabeçalhos de quadro para identificar origem, destino •  diferente do endereço IP! !  entrega confiável entre nós adjacentes "  já aprendemos a fazer isso (Capítulo 3)! "  raramente usado em enlace com pouco erro de bit (fibra, alguns pares trançados) "  enlaces sem fio: altas taxas de erro •  P: Por que confiabilidade em nível de enlace e fim a fim?quinta-feira, 10 de novembro de 11 7
  8. 8. Serviços (2/2) !  controle de fluxo: "  controle entre nós de emissão e recepção adjacentes !  detecção de erro: "  erros causados por atenuação de sinal, ruído. "  receptor detecta presença de erros: •  pede ao remetente para retransmitir ou descarta quadro !  correção de erro: "  receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem lançar mão da retransmissão !  half-duplex e full-duplex "  com half-duplex, os nós nas duas extremidades do enlace podem transmitir, mas não ao mesmo tempoquinta-feira, 10 de novembro de 11 8
  9. 9. Onde é implementada a Implementação camada de enlace? !  em todo e qualquer hosp. !  camada de enlace esquema do hospedeiro implementada no “adaptador” (ou placa de aplicação transporte interface de rede, NIC) rede enlace cpu memória "  placa Ethernet, placa PCMCI, placa 802.11 contro- barramento lador implementa camada de hospedeiro "  enlace (p. e., PCI) enlace, física física física transmissão !  conecta aos barramentos de sistema do hospedeiro !  combinação de hardware, placa adaptadora de rede software, firmwarequinta-feira, 10 de novembro de 11 9
  10. 10. Comunicação entre Comunicação adaptadores datagrama datagrama contro- contro- lador lador hosp. de origem hosp. de destino datagrama quadro !  lado receptor !  lado emissor: "  procura erros, rdt, "  encapsula datagrama no quadro controle de fluxo etc. "  inclui bits de verificação "  extrai datagrama, passa de erro, rdt, controle de para camada superior no fluxo etc. lado receptorquinta-feira, 10 de novembro de 11 10
  11. 11. Sumário Introdução e serviços Detecção e correção de erros Protocolos de acesso múltiplo Endereçamento na camada de enlace Ethernet Comutadores de camada de enlace PPPquinta-feira, 10 de novembro de 11 11
  12. 12. Detecção Detecção de erros de erros EDC = Bits de detecção e correção de erros (redundância) D = Dados protegidos por verificação de erro, podem incluir campos de cabeçalho Detecção de erro não 100% confiável! •  protocolo pode perder alguns erros, mas raramente •  maior campo EDC gera melhor detecção e correçãoquinta-feira, 10 de novembro de 11 12
  13. 13. Verificação de paridade bidimensional: Verificação de paridade Paridade Detecta e corrige erros de único bit Paridade de único bit: Paridade bidimensional: Detecta erros de único bit Detecta e corrige erros de único bit Paridade de único bit: Detecta erros de único bitquinta-feira, 10 de novembro de 11 13
  14. 14. Soma de verificação da Soma de verificação Internet (análise) Objetivo: detectar “erros” (p. e., bits invertidos) no pacote transmitido (nota: usada somente na camada de transporte) Emissor: Receptor: !  trata conteúdo do !  calcula soma de verificação segmento como sequência do segmento recebido de inteiros de 16 bits !  verifica se soma de !  soma de verificação: verificação calculada é igual adição (soma no ao valor do campo de soma de complemento de 1) do verificação: conteúdo do segmento "  NÃO – erro detectado !  emissor colocar valor da "  SIM – nenhum erro soma de verificação no detectado. Mas pode campo de soma de haver erros, apesar disso? verificação UDPquinta-feira, 10 de novembro de 11 14
  15. 15. verificação de redundância Verificação de paridade: CRC cíclica !  veja bits de dados, D, como um número binário !  escolha padrão de bits r + 1 (gerador), G !  objetivo: escolher r bits de CRC, R, tal que "  <D,R> exatamente divisível por G (módulo 2) "  receptor sabe G, divide <D,R> por G. Se resto diferente de zero: erro detectado! "  pode detectar todos os erros em rajada menores que r + 1 bits !  muito usada na prática (Ethernet, 802.11 WiFi, ATM)quinta-feira, 10 de novembro de 11 15
  16. 16. Verificação de paridade Exemplo de CRC Queremos: D . 2r XOR R = nG de modo equivalente: D . 2r = nG XOR R de modo equivalente: se dividirmos D . 2r por G, queremos resto R D . 2r R = resto[ ] Gquinta-feira, 10 de novembro de 11 16
  17. 17. Sumário Introdução e serviços Detecção e correção de erros Protocolos de acesso múltiplo Endereçamento na camada de enlace Ethernet Comutadores de camada de enlace PPPquinta-feira, 10 de novembro de 11 17
  18. 18. acesso múltiplo Dois tipos Dois tipos de “enlaces”: !  ponto a ponto "  PPP para acesso discado "  enlace ponto a ponto entre comutador Ethernet e hospedeiro !  broadcast (fio ou meio compartilhado) "  Ethernet à moda antiga "  HFC anterior "  LAN sem fio 802.11 humanos em uma festa fio compartilhado (p. e., RF compartilhada RF compartilhada (ar e acústica Ethernet cabeado) (p. e., WiFi 802.11) (satélite) compartilhados)quinta-feira, 10 de novembro de 11 18
  19. 19. acesso múltiploProtocolos de acesso múltiplo !  único canal de broadcast compartilhado !  duas ou mais transmissões simultâneas por nós: interferência "  colisão se o nó recebe dois ou mais sinais ao mesmo tempo protocolo de acesso múltiplo !  algoritmo distribuído que determina como os nós compartilham canal, ou seja, determinam quando o nó pode transmitir !  comunicação sobre compartilhamento de canal deve usar o próprio canal! "  nenhum canal fora-de-banda para coordenaçãoquinta-feira, 10 de novembro de 11 19
  20. 20. acesso múltiplo ideal Protocolo de acesso múltiplo ideal Canal de broadcast de velocidade R bps 1. quando um nó quer transmitir, ele pode enviar na velocidade R. 2. quando M nós querem transmitir, cada um pode enviar na velocidade média de transmissão R/M 3. totalmente descentralizado: "  nenhum nó especial para coordenar transmissões "  nenhuma sincronização de clocks, intervalos 4. simplesquinta-feira, 10 de novembro de 11 20
  21. 21. Protocolos MAC: taxonomia uma taxonomia Três classes gerais: !  Particionamento de canal "  divide o canal em “pedaços menores” (intervalos de tempo, frequência, código) "  aloca pedaço ao nó para uso exclusivo !  Acesso aleatório "  canal não dividido, permite colisões "  “recupera” de colisões !  “Revezando” "  os nós se revezam, mas os nós com mais a enviar podem receber mais tempoquinta-feira, 10 de novembro de 11 21
  22. 22. Protocolos MAC de particionamentocanal: particionamento de de canal: TDMA TDMA TDMA: Time Division Multiple Access !  acesso ao canal em “rodadas” !  cada estação recebe intervalo de tamanho fixo (tamanho = tempo transm. pacote) a cada rodada !  intervalos não usados ficam ociosos !  exemplo: LAN de 6 estações, 1, 3, 4 têm pacote, intervalos 2, 5, 6 ociosos quadro de 6 intervalos 1 3 4 1 3 4quinta-feira, 10 de novembro de 11 22
  23. 23. Protocolos MAC de particionamento de canal: particionamento de canal: FDMA FDMA FDMA: Frequency Division Multiple Access !  espectro do canal dividido em bandas de frequência !  cada estação recebe banda de frequência fixa !  tempo de transmissão não usado nas bandas de frequência fica ocioso !  exemplo: LAN de 6 estações, 1, 3, 4 têm pacote, bandas de frequência 2, 5, 6 ociosas temp o bandas de freq. cabo FDMquinta-feira, 10 de novembro de 11 23
  24. 24. Protocolos de acesso aleatório protocolos de acesso aleatório !  Quando o nó tem um pacote a enviar "  transmite na velocidade de dados R total do canal. "  sem coordenação a priori entre os nós !  dois ou mais nós transmitindo “colisão”, !  protocolo MAC de acesso aleatório especifica: "  como detectar colisões "  como recuperar-se de colisões (p. e., via retransmissões adiadas) !  Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório: "  slotted ALOHA "  ALOHA "  CSMA, CSMA/CD, CSMA/CAquinta-feira, 10 de novembro de 11 24
  25. 25. slotted ALOHA Slotted ALOHA Suposições: Operação: !  todos os quadros do mesmo !  quando nó obtém quadro novo, tamanho transmite no próximo intervalo !  tempo dividido em intervalos "  se não há colisão: nó pode de mesmo tamanho (tempo enviar novo quadro no para transmitir 1 quadro) próximo intervalo !  nós começam a transmitir "  se há colisão: nó retransmite somente no início dos quadro em cada intervalo intervalos subsequente com prob. até !  nós são sincronizados que haja sucesso !  se 2 ou mais nós transmitem no intervalo, todos os nós detectam colisãoquinta-feira, 10 de novembro de 11 25
  26. 26. Prós Contras !  único nó ativo pode transmitir !  colisões, intervalos continuamente na velocidade desperdiçados plena do canal !  intervalos ociosos !  altamente descentralizado: !  nós podem ser capazes de somente intervalos nos nós detectar colisão em menos precisam estar em sincronismo tempo do que para transmitir !  simples pacote !  sincronismo de clockquinta-feira, 10 de novembro de 11 26
  27. 27. Eficiência do Slotted ALOHA Eficiência do Slotted Aloha Eficiência: fração durante longo tempo de intervalos bem !  eficiência máxima: ache sucedidos (muitos nós, todos com p* que maximiza muitos quadros para enviar) Np(1-p)N-1 !  para muitos nós, com !  suponha: N nós com muitos limite de Np*(1-p*)N-1 quadros a enviar, cada um enquanto N tende a transmitindo no intervalo infinito, temos: com probabilidade p Eficiência máxima = 1/e = 0,37 ! !  prob de um nó ter sucesso Na melhor das em um intervalo = p(1-p)N-1 hipóteses: canal usado !  prob de qualquer nó ter para transmissões sucesso = Np(1-p)N-1 úteis 37% do tempo!quinta-feira, 10 de novembro de 11 27
  28. 28. ALOHA puro (não slotted) ALOHA (não slotted) !  Aloha não slotted: mais simples, sem sincronismo !  quando quadro chega primeiro "  transmite imediatamente !  probabilidade de colisão aumenta: "  quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1,t0+1]quinta-feira, 10 de novembro de 11 28
  29. 29. Eficiência do ALOHA puro Eficiência do Aloha puro P(sucesso por determinado nó) = P(nó transmite) P(nenhum outro nó transmite em [p0-1,p0]. P(nenhum outro nó transmite em [p0-1,p0] = p . (1-p)N-1 . (1-p)N-1 = p . (1-p)2(N-1) … escolhendo p ideal e depois considerando n -> infinito ... = 1/(2e) = 0,18 ainda pior que slotted Aloha!quinta-feira, 10 de novembro de 11 29
  30. 30. CSMA (Carrier CSMA Sense Multiple Access) Multiple Access) (Carrier Sense CSMA: ouça antes de falar: se perceber canal ocioso: transmite quadro inteiro !  se perceber canal ocupado, adia transmissão !  analogia humana: não interrompa os outros!quinta-feira, 10 de novembro de 11 30
  31. 31. Colisões Colisões CSMA CSMA layout espacial dos nós colisões ainda podem ocorrer: atraso de propagação significa que dois nós podem não ouvir a transmissão um do outro colisão: tempo de transmissão de pacote inteiro desperdiçado nota: papel da distância & atraso de propagação determinando probabilidade de colisãoquinta-feira, 10 de novembro de 11 31
  32. 32. CSMA/CD CSMA/CD (c/Detecção de Colisão) (Collision Detection) CSMA/CD: detecção de portadora, adiada como no CSMA "  colisões detectadas dentro de pouco tempo "  transmissões colidindo abortadas, reduzindo desperdício do canal !  detecção de colisão: "  fácil em LANs com fio: mede intensidades de sinal, compara sinais transmitidos, recebidos "  difícil nas LANs sem fio: intensidade do sinal recebido abafada pela intensidade da transmissão local !  analogia humana: o interlocutor educadoquinta-feira, 10 de novembro de 11 32
  33. 33. Detecção de Colisões CSMA/CDquinta-feira, 10 de novembro de 11 33
  34. 34. “Revezando” protocolos MAC revezando protocolos protocolos MAC de particionamento de canal: "  compartilham canal de modo eficaz e justo com alta carga "  ineficaz com baixa carga: atraso no acesso ao canal, 1/N largura de banda alocada mesmo que apenas 1 nó ativo! Protocolos MAC de acesso aleatório "  eficaz com baixa carga: único nó pode utilizar o canal totalmente "  alta carga: sobrecarga de colisão “revezando” protocolos procure o melhor dos dois mundos!quinta-feira, 10 de novembro de 11 34
  35. 35. Protocolo de revezamento Polling (seleção): !  nó mestre “convida” nós escravos a dados alterarem a poll transmissão mestre !  normalmente usado com dispositivos dados escravos “burros” !  preocupações: "  sobrecarga da seleção escravos "  latência "  único ponto de falha (mestre)quinta-feira, 10 de novembro de 11 35
  36. 36. Protocolo de revezamento Passagem de permissão: T !  permissão de controle passada de um nó para o próximo sequencialmente. (nada a !  mensagem de permissão enviar) T !  preocupações: "  sobrecarga da permissão "  latência "  único ponto de falha (permissão) dadosquinta-feira, 10 de novembro de 11 36
  37. 37. Resumo de protocolos MAC MAC Resumo de protocolos !  particionamento de canal, por tempo, frequência ou código "  Time Division, Frequency Division !  acesso aleatório (dinâmico), "  ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD "  percepção de portadora: fácil em algumas tecnologias (com fio), difícil em outras (sem fio) "  CSMA/CD usado na Ethernet "  CSMA/CA usado na 802.11 !  revezamento "  polling do site central, passagem de permissão "  Bluetooth, FDDI, IBM Token Ringquinta-feira, 10 de novembro de 11 37
  38. 38. Sumário Introdução e serviços Detecção e correção de erros Protocolos de acesso múltiplo Endereçamento na camada de enlace Ethernet Comutadores de camada de enlace PPPquinta-feira, 10 de novembro de 11 38
  39. 39. Endereçamento MAC Endereçamento MAC e ARP !  Endereço IP de 32 bits: "  endereço da camada de rede "  usado para obter datagrama até sub-rede IP de destino !  Endereço MAC (ou LAN ou físico ou Ethernet) : "  função: levar quadro de uma interface para outra interface conectada fisicamente (na mesma rede) "  Endereço MAC de 48 bits (para maioria das LANs) •  queimado na ROM da NIC, às vezes também configurável por softwarequinta-feira, 10 de novembro de 11 39
  40. 40. Endereços LAN Endereços de LAN e ARP Cada adaptador na LAN tem endereço de LAN exclusivo 1A-2F-BB-76-09-AD Endereço de broadcast = FF-FF-FF-FF-FF-FF LAN (com ou = adaptador sem fio) 71-65-F7-2B-08-53 58-23-D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E3-98quinta-feira, 10 de novembro de 11 40
  41. 41. EndereçosEndereços LAN de LAN (mais) !  alocação de endereço MAC administrada pelo IEEE !  fabricante compra parte do espaço de endereços MAC (para garantir exclusividade) !  analogia: (a) Endereço MAC: como o CPF (b) Endereço IP: como o endereço postal !  endereço MAC plano portabilidade "  pode mover placa de LAN de uma LAN para outra !  endereço IP hierárquico NÃO portável "  endereço depende da sub-rede IP à qual o nó está conectadoquinta-feira, 10 de novembro de 11 41
  42. 42. ARP -Address Resolution ARP: Address Resolution Protocol Protocol Pergunta: Como determinar !  Cada nó IP (hosp., endereço MAC de B sabendo roteador) na LAN tem o endereço IP de B? tabela ARP !  Tabela ARP: 137.196.7.78 mapeamentos de 1A-2F-BB-76-09-AD endereço IP/MAC para alguns nós da LAN 137.196.7.23 137.196.7.14 <endereço IP; endereço MAC; TTL> LAN "  TTL (Time To Live): 71-65-F7-2B-08-53 tempo após o qual o 58-23-D7-FA-20-B0 mapeamento de endereço será esquecido 0C-C4-11-6F-E3-98 (normalmente, 20 min) 137.196.7.88quinta-feira, 10 de novembro de 11 42
  43. 43. Protocolo ARP: mesma LAN ARP - Mesma LAN (rede) !  A quer enviar datagrama a B, !  A salva em cache par de e endereço MAC de B não endereços IP-para-MAC em está na tabela ARP de A. sua tabela ARP até a !  A envia por broadcast pacote informação expirar de consulta ARP, contendo "  estado soft: informação endereço IP de B que expira (desaparece) "  endereço MAC de destino se não for renovada = FF-FF-FF-FF-FF-FF !  ARP é “plug-and-play”: "  todas as máquinas na LAN "  nós criam suas tabelas recebem consulta ARP ARP sem intervenção do !  B recebe pacote ARP, administrador de rede responde para A com seu endereço MAC (de B) "  quadro enviado ao endereço MAC de A (unicast)quinta-feira, 10 de novembro de 11 43
  44. 44. Endereçamento: roteando Roteando para outra LAN para outra LAN acompanhamento: enviar datagrama de A para B via R suponha que A saiba o endereço IP de B 74-29-9C-E8-FF-55 88-B2-2F-54-1A-0F A E6-E9-00-17-BB-4B 222.222.222.221 1A-23-F9-CD-06-9B 111.111.111.111 222.222.222.220 222.222.222.222 111.111.111.110 B 111.111.111.112 R 49-BD-D2-C7-56-2A CC-49-DE-D0-AB-7D !  duas tabelas ARP no roteador R, uma para cada rede IP (LAN)quinta-feira, 10 de novembro de 11 44
  45. 45. !  A cria datagrama IP com origem A, destino B !  A usa ARP para obter endereço MAC de R para 111.111.111.110 !  A cria quadro da camada de enlace com endereço MAC de R como destino, quadro contém datagrama IP A-para-B !  NIC de A envia quadro Este é um exemplo realmente !  NIC de R recebe quadro importante – procure entender bem! !  R remove datagrama IP do quadro Ethernet, vê o seu destinado a B !  R usa ARP para obter endereço MAC de B !  R cria quadro contendo datagrama IP A-para-B e envia para B 74-29-9C-E8-FF-55 88-B2-2F-54-1A-0F A E6-E9-00-17-BB-4B 222.222.222.221 1A-23-F9-CD-06-9B 111.111.111.111 222.222.222.220 222.222.222.222 111.111.111.110 B 111.111.111.112 R 49-BD-D2-C7-56-2A CC-49-DE-D0-AB-7Dquinta-feira, 10 de novembro de 11 45
  46. 46. Sumário Introdução e serviços Detecção e correção de erros Protocolos de acesso múltiplo Endereçamento na camada de enlace Ethernet Comutadores de camada de enlace PPPquinta-feira, 10 de novembro de 11 46
  47. 47. Ethernet Ethernet Tecnologia de LAN com fio “dominante”: !  barata: US$ 20 para NIC !  primeira tecnologia de LAN utilizada em larga escala !  mais simples e mais barata que as LANs de permissão e ATM !  acompanhou corrida da velocidade: 10 Mbps – 10 Gbps Projeto original da Ethernet de Metcalfequinta-feira, 10 de novembro de 11 47
  48. 48. Topologia Topologia de estrela !  topologia de barramento popular até meados dos anos 90 "  todos os nós no mesmo domínio de colisão (podem colidir uns com os outros) !  hoje: topologia de estrela prevalece "  comutador ativo no centro "  cada “ponta” roda um protocolo Ethernet (separado) – nós não colidem uns com os outros comutador barramento: cabo coaxial estrelaquinta-feira, 10 de novembro de 11 48
  49. 49. Estrutura Ethernet Estrutura do quadro do quadro Adaptador enviando encapsula datagrama IP (ou outro pacote de protocolo da camada de rede) no quadro Ethernet Preâmbulo: !  7 bytes com padrão 10101010 seguido por um byte com padrão 10101011 !  usado para sincronizar taxas de clock do receptor e emissorquinta-feira, 10 de novembro de 11 49
  50. 50. Estrutura do quadro !  Endereços: 6 bytes "  se adaptador recebe quadro com endereço de destino combinando, ou com endereço de broadcast (p. e., pacote ARP), passa dados do quadro ao protocolo da camada de rede "  caso contrário, adaptador descarta quadro !  Tipo: indica protocolo da camada mais alta (principalmente IP, mas outros são possíveis, p. e., Novell IPX, AppleTalk) !  CRC: verificado no receptor; se detectar erro, quadro é descartadoquinta-feira, 10 de novembro de 11 50
  51. 51. Não confiável e Sem conexão Ethernet: não confiável, sem conexão !  sem conexão: sem apresentação entre NICs de origem e destino !  não confiável: NIC de destino não envia confirmações ou não confirmações à NIC de origem "  fluxo de datagramas passados à camada de rede pode ter lacunas (datagramas faltando) "  lacunas serão preenchidas se aplicação estiver usando TCP "  caso contrário, aplicação verá lacunas !  Protocolo MAC da Ethernet: CSMA/CD não slottedquinta-feira, 10 de novembro de 11 51
  52. 52. Algoritmo!!! Algoritmo CSMA/CD da Ethernet 1. NIC recebe datagrama da 4. Se NIC detectar outra camada de rede e cria transmissão enquanto quadro transmite, aborta e envia 2. Se NIC sentir canal sinal de congestionamento ocioso, inicia transmissão 5. Depois de abortar, NIC do quadro; canal ocupado, entra em backoff espera até estar ocioso, exponencial: após m depois transmite colisões, NIC escolhe K 3. Se NIC transmitir quadro aleatoriamente dentre inteiro sem detectar outra {0,1,2,…,2m-1}. NIC espera transmissão, NIC K · 512 tempos de bit, terminou com o quadro! retorna à Etapa 2quinta-feira, 10 de novembro de 11 52
  53. 53. Mais sobre o CSMA/CDCSMA/CD da Ethernet (mais) Sinal de congestionamento: Backoff exponencial: cuide para que todos os !  Objetivo: adaptar tentativas de outros transmissores retransmissão à carga estimada saibam da colisão; 48 bits "  carga pesada: espera Tempo de bit: 0,1 µs para aleatória será maior Ethernet de 10 Mbps; !  primeira colisão: escolha K a para K = 1023, tempo de partir de {0,1}; atraso é K · 512 espera cerca de 50 ms tempos de transmissão de bit !  após segunda colisão: escolha K dentre {0,1,2,3}… Veja/interaja com applet Java no site Web da AWL: !  após dez colisões, escolha K altamente recomendado! dentre {0,1,2,3,4,…,1023}quinta-feira, 10 de novembro de 11 53
  54. 54. Eficiência do Eficiência CSMA/CD !  Tprop = atraso máx. propag. entre 2 nós na LAN !  ttrans = tempo para transmitir quadro de tamanho máximo !  eficiência vai para 1 "  quando tprop vai para 0 "  quando ttrans vai para infinito !  melhor desempenho que ALOHA: é simples, barato, descentralizado!quinta-feira, 10 de novembro de 11 54
  55. 55. Padrões Ethernet 802.3: Padrões 802.3 camadas de enlace e física !  muitos padrões Ethernet diferentes "  protocolo MAC e formato de quadro comuns "  diferentes velocidades: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10G bps "  diferentes meios da camada física: fibra, cabo protocolo MAC aplicação e formato de quadro transporte rede 100BASE-TX 100BASE-T2 100BASE-FX enlace 100BASE-T4 100BASE-SX 100BASE-BX física camada física camada física fibra cobre (par trançado)quinta-feira, 10 de novembro de 11 55
  56. 56. Codificação Manchester Codificação Manchester !  usado no 10BaseT !  cada bit tem uma transição !  permite que clocks nos nós emissor e receptor sejam sincronizados entre si "  desnecessário para um clock centralizado, global entre os nós! !  Ei, isso é coisa da camada física!quinta-feira, 10 de novembro de 11 56
  57. 57. Sumário Introdução e serviços Detecção e correção de erros Protocolos de acesso múltiplo Endereçamento na camada de enlace Ethernet Comutadores de camada de enlace PPPquinta-feira, 10 de novembro de 11 57
  58. 58. Hubs HUBs … repetidores da camada física (“burros”) : "  todos os nós conectados ao hub podem colidir uns com os outros "  sem buffering de quadros "  sem CSMA/CD no hub: NICs do hospedeiro detectam colisões "  bits chegando a um enlace saem em todos os outros enlaces na mesma velocidade par trançado hubquinta-feira, 10 de novembro de 11 58
  59. 59. Comutador (Switch) Comutador (switch) !  dispositivo da camada de enlace: mais inteligente que os hubs, têm papel ativo "  armazenam e repassam quadros Ethernet "  examinam endereço MAC do quadro que chega, repassam seletivamente o quadro para um ou mais enlaces de saída quando o quadro deve ser repassado no segmento, usa CSMA/CD para acessar segmento !  transparente "  hosps. não sabem da presença de comutadores !  plug-and-play, autodidata "  comutadores não precisam ser configuradosquinta-feira, 10 de novembro de 11 59
  60. 60. Comutador: permite múltiplas Switch (múltiplas transmissões simultâneas) transmissões simultâneas Comutador: permite múltiplas A transmissões simultâneas !  hosps. têm conexão dedicada, C’ A B direta com comutador !  hosps. têm conexão dedicada, C’ B !  comutadores mantêm pacotes 1 2 direta com comutador 6 3 !  Protocolo Ethernet usado em !  comutadores mantêm pacotes cada enlace de chegada, mas 5 14 2 3 6 !  Protocolo Ethernet usado em sem colisões; full duplex 5 4 cada enlace de chegada, mas C "  cada enlace é seu próprio sem colisões; full duplex domínio de colisão C cada enlace é seu próprio "  B’ A’ !  comutação: A-para-A’ e B- domínio de colisão B’ para-B’ simultaneamente, sem !  comutação: A-para-A’ e B- A’ comutador com seis interfaces colisões simultaneamente, sem para-B’ (1,2,3,4,5,6) comutador com seis interfaces "  não é possível com hub burro colisões (1,2,3,4,5,6) "  não é possível com hub burroquinta-feira, 10 de novembro de 11 60
  61. 61. Tabela de comutação Tabela de comutação A !  P: Como o comutador sabe que A’ se encontra na interface 4, C’ B B’ se encontra na interface 5? !  R: Cada comutador tem uma 1 2 3 6 tabela de comutação, cada 4 entrada: 5 "  (endereço MAC do nó, interface C para alcançar nó, horário) !  parece com tab. de roteamento! B’ A’ !  P: Como as entradas são criadas, mantidas na tabela comutador com 6 interfaces comutação? (1,2,3,4,5,6) "  algo como um prot. de roteamento?quinta-feira, 10 de novembro de 11 61
  62. 62. Comutador: autodidata Comutador: autodidata !  comutador descobre Source: A quais nós podem ser Dest: A’ alcançados por quais A A A’ interfaces "  quando quadro recebido, C’ B comutador “aprende” local do emissor: segmento de 1 2 LAN de chegada 6 3 "  registra par emissor/local C 5 4 na tabela de comutação B’ end. MAC interface TTL A’ A 1 60 Tabela comutação (inicialmente vazia)quinta-feira, 10 de novembro de 11 62
  63. 63. Switch: filtragem/repasse Switch: filtragemde quadros e repasse Quando quadro recebido: 1. Registra enlace associado ao host emissor 2. Indexa tabela de comutação usando endereço MAC de destino 3. if entrada encontrada para o destino then { if dest no segmento do qual o quadro chegou then remove o quadro else repassa o quadro na interface indicada } repassa para todas as interfaces, else inunda menos aquela em que o quadro chegouquinta-feira, 10 de novembro de 11 63
  64. 64. Exemplo de aprendizagem Autoaprendizagem, repasse: exemplo Origem: A Destino: A’ A A’ !  destino do quadro A desconhecido: inunda C’ B !  local de destino A 6 1 2 conhecido: envio A A’ A A’ C seletivo 5 4 3 end. MAC interface TTL B’ A’ A A 1 60 A’ A’ 4 60 Tabela comutação (inicialmente vazia)quinta-feira, 10 de novembro de 11 64
  65. 65. Interconectando Interconectando comutadores comutadores !  comutadores podem ser conectados S4 S1 S3 A S2 F D I B C G H E !  P: Enviando de A p/G - como S1 sabe repassar quadro destinado a F por S4 e S3? !  R: Autoaprendizagem! (funciona da mesma forma que no caso do único comutador!)quinta-feira, 10 de novembro de 11 65
  66. 66. Multicomutação com Multicomutação autoaprendizagem Suponha que C envie quadro para I, I responde a C 1 S4 S1 2 S3 A S2 F D I B C G H E !  P: Mostre tabelas de comutação e repasse de pacotes em S1, S2, S3, S4quinta-feira, 10 de novembro de 11 66
  67. 67. Rede Institucional Rede institucional servidor correio à rede externa roteador servidor Web sub-rede IPquinta-feira, 10 de novembro de 11 67
  68. 68. Comutadores Comutadores versus X Roteadores roteadores !  ambos dispositivos de armazenamento e repasse "  roteadores: dispositivos da camada de rede (examinam cabeçalhos da camada de rede) "  comutadores são dispositivos da camada de enlace !  roteadores mantêm tabelas de roteamento, implementam algoritmos de roteamento !  switches mantêm tabelas de comutação, implementam filtragem, algoritmos de aprendizagemquinta-feira, 10 de novembro de 11 68
  69. 69. LANs: motivação - motivação VLANs:VLAN motivaçãoque há de errado errado figura? O que há de nesta nesta figura? O que que acontece se: O acontece se: !  usuário da CC muda para EE, EE !  usuário da CC muda para mas quer quer se conectar ao mas se conectar ao comutador CC? CC? comutador !  únicoúnico domínio de broadcast !  domínio de broadcast: "  todo tráfego de broadcast "  todo tráfego de broadcast da camada 2 (ARP, DHCP) da camada 2 (ARP, DHCP) cruzacruza a LAN inteira a LAN inteira (questões de eficiência, (questões de eficiência,daCiência da Engenharia segurança/privacidade) segurança/privacidade) Computação Engenharia Engenharia !  cada cada comutador de nível ção Engenharia da Computação !  comutador de nível Elétrica Elétrica Computação da mais mais baixo tem apenas baixo tem apenas algumas portas em uso uso algumas portas em quinta-feira, 10 de novembro de 11 69
  70. 70. VLAN baseada em porta: VLANs VLANs portas de comutador agrupadas (por software de gerenciamento de comutador) para que único comutador físico …… 1 7 9 15 Virtual Local 2 8 10 16 Area Network … … Comutador(es) admitindo capacidades Engenharia Elétrica Ciência da Computação (VLAN portas 1-8) (VLAN portas 9-15) de VLAN podem ser configurados para … opere como múltiplos comutadores definir múltiplas LANs virtuais virtuais por única 1 7 9 15 infraestrutura de LAN 2 8 10 16 física. … … Engenharia Elétrica Ciência da Computação (VLAN portas 1-8) (VLAN portas 9-16)quinta-feira, 10 de novembro de 11 70
  71. 71. VLAN baseada em portas VLAN baseada em porta !  isolamento de tráfego: quadros roteador de/para portas 1-8 só podem alcançar portas 1-8 "  também podem definir VLAN com base em endereços MAC das 1 7 9 15 extremidades, em vez de porta do 2 8 10 16 comutador !  inclusão dinâmica: portas … … podem ser atribuídas dinamicamente entre VLANs Engenharia Elétrica Ciência da Computação (VLAN portas 1-8) (VLAN portas 9-15) !  repasse entre VLANS: feito por roteamento (assim como em comutadores separados) "  na prática, fornecedores vendem uma combinação de comutador e roteadorquinta-feira, 10 de novembro de 11 71
  72. 72. VLANS spanning multiple VLAN multiple switches switches 1 7 9 15 1 3 5 7 2 8 10 16 2 4 6 8 … … Engenharia Elétrica Ciência da Computação Portas 2,3,5 pertencem a EE VLAN (VLAN portas 1-8) (VLAN portas 9-15) Portas 4,6,7,8 pertencem a CS VLAN !  porta de tronco: carrega quadros entre VLANS definidas sobre vários comutadores físicos "  quadros repassados dentro da VLAN entre comutadores não podem ser quadros 802.1 comuns (devem ter informação de VLAN ID) "  protocolo 802.1q inclui campos de cabeçalho adicionais para quadros repassados entre portas de troncoquinta-feira, 10 de novembro de 11 72
  73. 73. Formato do Formato de quadro quadro 802.1q 802.1Q VLAN quadro 802.1 quadro 802.1Qquinta-feira, 10 de novembro de 11 73
  74. 74. Sumário Introdução e serviços Detecção e correção de erros Protocolos de acesso múltiplo Endereçamento na camada de enlace Ethernet Comutadores de camada de enlace PPPquinta-feira, 10 de novembro de 11 74
  75. 75. Controle de enlacePPP de dadosponto a ponto !  um remetente, um destinatário, um enlace: mais fácil que enlace de broadcast: "  sem Media Access Control "  desnecessário endereçamento MAC explícito "  p. e., enlace discado, linha ISDN !  protocolos DLC ponto a ponto populares: "  PPP (Point-to-Point Protocol) "  HDLC: High level Data Link Control (enlace de dados era considerada “camada alta” na pilha de protocolos!)quinta-feira, 10 de novembro de 11 75
  76. 76. Requisitos de projeto do1557 PPP - RFC PPP [RFC 1557] Requisitos! !  enquadramento de pacote: encapsulamento de datagrama da camada de rede no quadro da camada de enlace de dados "  transporta dados camada de rede de qualquer protocolo da camada de rede (não só IP) ao mesmo tempo "  capacidade de demultiplexar para cima !  transparência de bit: deve transportar qualquer padrão de bits no campo de dados !  detecção de erro (sem correção) !  vida da conexão: detectar, sinalizar falha do enlace à camada de rede !  negociação de endereço da camada de rede: extremidades podem descobrir/configurar endereço de rede umas da outrasquinta-feira, 10 de novembro de 11 76
  77. 77. PPP Não requisitos do PPP Não Requisitos !  sem correção/recuperação de erro !  sem controle de fluxo !  entrega fora de ordem OK !  sem necessidade de suporte a enlaces multiponto (p. e., protocolo de seleção) Recuperação de erro, controle de fluxo, reordenação de dados, todos relegados a camadas mais altas!quinta-feira, 10 de novembro de 11 77
  78. 78. Quadro Quadro de dados PPP PPP !  flag: delimitador (enquadramento) !  endereço: não faz anda (só uma opção) !  controle: não faz nada; no futuro, possíveis campos de controle múltiplo !  protocolo: protocolo da camada superior ao qual o quadro é entregue (p. e., PPP-LCP, IP, IPCP etc.)quinta-feira, 10 de novembro de 11 78
  79. 79. Quadro PPP !  informação: dados da camada superior sendo transportados !  verificação: CRC para detecção de erroquinta-feira, 10 de novembro de 11 79
  80. 80. Byte Stuffing Byte Stuffing !  requisito de “transparência de dados”: campo de dados deve poder incluir padrão de flag <01111110> "  P: <01111110> recebido é dado ou é flag? !  remetente: inclui (“enche”) byte < 01111110> extra após cada byte de dados < 01111110> !  destinatário: "  dois bytes 01111110 em sequência: descarta primeiro byte, continua recebimento de dados "  único 01111110: byte de flagquinta-feira, 10 de novembro de 11 80
  81. 81. Byte Stuffing padrão de byte de flag nos dados a enviar padrão de byte de flag mais byte incluído nos dados transmitidosquinta-feira, 10 de novembro de 11 81
  82. 82. Controle de dados Protocolo de controle de PPP dados PPPAntes de trocar dados da camada de rede, pares do enlace de dados devem!  configurar enlace PPP (tamanho de quadro máximo, autenticação)!  descobrir/configurar informação da camada de rede "  para IP: transportar msgs do IP Control Protocol (IPCP) (campo do protocolo: 8021) para configurar/descobrir endereço IPquinta-feira, 10 de novembro de 11 82
  83. 83. Sumário Introdução e serviços Detecção e correção de erros Protocolos de acesso múltiplo Endereçamento na camada de enlace Ethernet Comutadores de camada de enlace PPPquinta-feira, 10 de novembro de 11 83
  84. 84. Referências Camada de enlace e redes locais: Capítulo 5 Seções 5.1 até 5.7 (aprox. 55 páginas, 5,5hrs de leitura [6min/pág])quinta-feira, 10 de novembro de 11 84

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