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Capítulo 5

Camada de enlace: enlaces, redes de acesso e redes locais

© 2014 Pearson. Todos os direitos reservados.slide 1

Entre os serviços que podem ser oferecidos por um protocolo da camada de enlace, estão:

• Enquadramento de dados.

• Acesso ao enlace (MAC – medium access control).

• Entrega confiável.

• Detecção e correção de erros.

Os serviços fornecidos pela camada de enlace

© 2014 Pearson. Todos os direitos reservados.slide 3

• A figura a seguir mostra a arquitetura típica de um hospedeiro.

• Na maior parte, a camada de enlace é implementada em um adaptador de rede, às vezes também conhecido como placa de interface de rede (NIC).

• No núcleo do adaptador de rede está o controlador da camada de enlace que executa vários serviços da camada de enlace.

• Dessa forma, muito da funcionalidade do controlador da camada de enlace é realizado em hardware.

Onde a camada de enlace é implementada?

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● 2017 Área de Telecomunicações 4/46

• Adaptador de rede: seu relacionamento com o resto dos componentes do hospedeiro e a funcionalidade da pilha de protocolos

Onde a camada de enlace é implementada?

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• Talvez a maneira mais simples de detectar erros seja utilizar um único bit de paridade.

• A figura abaixo mostra uma generalização bidimensional do esquema de paridade de bit único.

Verificações de paridade

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• Um método simples de soma de verificação é somar os inteiros de k bits e usar o total resultante como bits de detecção de erros.

• O complemento de 1 dessa soma forma, então, a soma de verificação da Internet, que é carregada no cabeçalho do segmento.

• No IP, a soma de verificação é calculada sobre o cabeçalho IP.

• Métodos de soma de verificação exigem relativamente pouca sobrecarga no pacote.

Métodos de soma de verificação

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• Uma técnica de detecção de erros muito usada nas redes de computadores de hoje é baseada em códigos de verificação de redundância cíclica (CRC).

• Códigos de CRC também são conhecidos como códigos polinomiais.

Verificação de redundância cíclica (CRC)

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• Um enlace ponto a ponto consiste em um único remetente em uma extremidade do enlace e um único receptor na outra. Exemplo?

• O enlace de difusão, pode ter vários nós remetentes e receptores, todos conectados ao mesmo canal de transmissão único e compartilhado. Exemplo?

• Protocolos de acesso múltiplo — através dos quais os nós regulam sua transmissão pelos canais de difusão compartilhados.

Enlaces e protocolos de acesso múltiplo

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• Vários canais de acesso múltiplo


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• Quando apenas um nó tem dados a enviar, envia à taxa máxima

• Quando M nós tem dados a enviar, divide-se igualmente a taxa média

• O protocolo é descentralizado, isto é, não há um mestre que represente um único ponto de falha

• O protocolo é simples para que sua implementação seja barata

Enlaces e protocolos de acesso múltiplo - características desejáveis:

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Protocolos MAC de particionamento de canal: 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

1 3 4 1 3 4

quadro de6 intervalos

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Protocolos MAC de particionamento de canal: FDMAFDMA: 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

band

as d

e fr

eq. tempo

cabo FDM

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• O protocolo FDM divide o canal de R bits/s em frequências diferentes e reserva cada frequência a um dos N nós, criando, desse modo, N canais menores de R/N bits/s a partir de um único canal maior de R bits/s.

• O protocolo de acesso múltiplo por divisão de código (CDMA) atribui um código diferente a cada nó.

• Se os códigos forem escolhidos com cuidado, as redes CDMA terão a maravilhosa propriedade de permitir que nós diferentes transmitam simultaneamente.

Protocolos de divisão de canal

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• Com um protocolo de acesso aleatório, um nó transmissor sempre transmite à taxa total do canal, isto é, R bits/s.

• O que é: compartimentado, percebe colisões.

• O slotted ALOHA é altamente (não completamente) descentralizado.

• Funciona bem quando há apenas um nó ativo.

• Com múltiplos nós ativos a eficiência máxima do protocolo é dada por 1/e = 0,37 (37 %).

Protocolos de acesso aleatório

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Prós● único nó ativo pode transmitir

continuamente na velocidade plena do canal

● altamente descentralizado: somente intervalos nos nós precisam estar em sincronismo

● simples

Contras● colisões, intervalos

desperdiçados● intervalos ociosos● nós podem ser capazes de

detectar colisão em menos tempo do que para transmitir pacote

● sincronismo de clock

Slotted ALOHA

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• Especificamente, há duas regras importantes que regem a conversação educada entre seres humanos:

• Ouça antes de falar. Se uma pessoa estiver falando, espere até que ela tenha terminado. No mundo das redes, isso é denominado detecção de portadora — um nó ouve o canal antes de transmitir.

• Se alguém começar a falar ao mesmo tempo que você, pare de falar. No mundo das redes, isso é denominado detecção de colisão (portadora) — um nó que está transmitindo ouve o canal enquanto transmite.

CSMA (acesso múltiplo com detecção de portadora - Carrier Sense Multiple Access )

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• Essas duas regras estão incorporadas na família de protocolos de acesso múltiplo com detecção de portadora (CSMA – Carrier Sense Multiple Access) e CSMA com detecção de colisão (CSMA/CD).

• Se todos os nós realizam detecção de portadora, por que ocorrem colisões?

• A resposta a essa pergunta pode ser ilustrada utilizando diagramas espaço/tempo.

CSMA (acesso múltiplo com detecção de portadora)

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Colisões CSMA

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

layout espacial dos nós

nota:papel da distância & atraso de propagação determinando probabilidade de colisão (comprimento máximo de cabo)

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CSMA/CD (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 educado

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Detecção de colisão CSMA/CD

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• O protocolo de polling elimina as colisões e os intervalos vazios que atormentam os protocolos de acesso aleatório, e isso permite que ele tenha uma eficiência muito maior, mas tem o nó mestre: único ponto de falha.

• No protocolo de passagem de permissão não há nó mestre.

• Um pequeno quadro de finalidade especial conhecido como uma permissão (token) é passado entre os nós obedecendo a uma determinada ordem fixa.

Protocolos de revezamento

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• Uma rede institucional conectada por quatro comutadores

Redes locais comutadas

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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 software

– MAC – Media Access Control – Controle de acesso ao meio– ARP – Address Resolution Protocol – Protocolo de resolução de

endereços: MAC X IP (rede local)

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Endereços MAC

• Cada interface conectada à LAN tem um endereço MAC exclusivo

Endereçamento na camada de enlace e ARP

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Endereços 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 conectado

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ARP (protocolo de resolução de endereços)

• Cada interface em uma LAN tem um endereço IP e um endereço MAC


● Cada nó IP (hosp., roteador) na LAN tem tabela ARP

● Tabela ARP: mapeamentos de endereço IP/MAC para alguns nós da LAN

● <endereço IP; endereço MAC>

● Linux: arp -an

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Envio de um datagrama para fora da sub-rede

• Duas sub-redes interconectadas por um roteador


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• A Ethernet praticamente tomou conta do mercado de LANs com fio.

• Há muitas razões para o sucesso da Ethernet:

1. Ela foi a primeira LAN de alta velocidade amplamente disseminada.

2. Token ring, FDDI e ATM são tecnologias mais complexas e mais caras do que a Ethernet, o que desencorajou ainda mais os administradores na questão da mudança.

Ethernet

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3. A Ethernet sempre produziu versões que funcionavam a velocidades iguais, ou mais altas.

4. O hardware para Ethernet passou a ser mercadoria comum, de custo muito baixo.

● Estrutura do quadro Ethernet

● Preâmbulo: 7 x 10101010 + 10101011: despertam e sincronizam os receptores (10 Mb/s, 100 Mb/s e 1Gb/s).

● Tipo: indica o protocolo da camada de rede: IP, ARP, IPX...● Dados: min 46 bytes e máximo 1500 bytes.● CRC: erro ==> nenhum aviso a ninguém!

Ethernet

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• 10 M a 10 Gbits/s. Cobre (T) ou fibra (X).• Padrões Ethernet de 100 Mbits/s: uma camada de enlace comum,

diferentes camadas físicas

Ethernet

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Podemos identificar diversas vantagens no uso de comutadores:

• Eliminação de colisões.• Enlaces heterogêneos.• Gerenciamento.

Processamento de pacotes em comu-tadores, roteadores e hospedeiros:

Comutadores da camada de enlace

● ambos dispositivos de armazenamento e repasse– roteadores: dispositivos 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

aprendizagem

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• Um comutador que suporta VLANs permite que diversas redes locais virtuais sejam executadas por meio de uma única infraestrutura física de uma rede local virtual.

Redes locais virtuais (VLANs)

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• Conectando 2 comutadores da VLAN a duas VLANs: 2 cabos


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• Conectando 2 comutadores da VLAN a duas VLANs: entroncados


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• Quadro Ethernet original (no alto); quadro VLAN Ethernet 802.1Q-tagged (embaixo)


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• Nos últimos anos, empresas de Internet como Google, Microsoft, Facebook e Amazon construíram datacenters maciços.

• Cada datacenter tem sua própria rede do datacenter que interconecta seus hospedeiros e liga o datacenter à Internet.

• O custo de um grande datacenter é imenso, ultrapassando US$ 12 milhões por mês para um datacenter de 100 mil hospedeiros [Greenberg, 2009a].

• A figura a seguir mostra um exemplo de uma rede do datacenter.

Redes do datacenter

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• Uma rede do datacenter com uma topologia hierárquicaTOR: top-of-rack

Redes do datacenter

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Síntese: um dia na vida de uma solicitação Web

● viagem pela pilha de protocolos completa!– aplicação, transporte, rede, enlace

● juntando tudo: síntese!– objetivo: identificar, analisar, entender os

protocolos (em todas as camadas) envolvidos no cenário aparentemente simples: solicitar página WWW

– cenário: aluno conecta laptop à rede do campus, solicita/recebe www.google.com

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Um dia na vida: cenário

rede comcast68.80.0.0/13

rede da Google64.233.160.0/19 64.233.169.105

servidor Web

servidor DNS

rede da escola 68.80.2.0/24

navegador

página Web

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Um dia na vida… conectando à Internet

● o laptop conectando precisa obter seu próprio endereço IP, end. do roteador do 1o salto e do servidor DNS: use DHCP

roteador(roda DHCP)

DHCPUDP

IPEthernetFísica

DHCP

DHCP

DHCP

DHCP

DHCP

DHCPUDP

IPEthernetFísica

DHCP

DHCP

DHCP

DHCPDHCP

Solicitação DHCP encapsulada no UDP, encapsulada no IP, encapsulada na Ethernet 802.1

Quadro Ethernet enviado por broadcast (dest.: FFFFFFFFFFFF) na LAN, recebido no roteador rodando servidor DHCP

Ethernet demultiplexado para IP demultiplexado, UDP demultiplexado para DHCP

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● Servidor DHCP formula ACK DHCP contendo endereço IP do cliente, IP do roteador no 1o salto para cliente, nome & endereço IP do servidor DNS

roteador(roda DHCP)

DHCPUDP

IPEthernet

Física

DHCP

DHCP

DHCP

DHCP

DHCPUDP

IPEthernet

Física

DHCP

DHCP

DHCP

DHCP

DHCP

Encapsulamento no servidor DHCP, quadro repassado (aprendizagem do comutador) através da LAN, demultiplexando no cliente

Cliente agora tem endereço IP, sabe nome e endereço do servidor DNS, endereço IP do seu roteador no

primeiro salto

Cliente DHCP recebe resposta ACK do DHCP

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Um dia na vida… ARP (antes do DNS, antes do HTTP)

● Antes de enviar solicitação HTTP, precisa de endereço IP de www.google.com: DNSDNS

UDPIP

EthernetFísica

DNS

DNS

DNS Consulta DNS criada, encap. no UDP,

no IP, na Ethernet. Para enviar quadro ao roteador, precisa de endereço MAC da interface do roteador: ARP

Broadcast da consulta ARP, recebido pelo roteador, que responde com resposta ARP dando endereço MAC da interface do roteador

cliente agora sabe endereço MAC do roteador no 1o salto, e agora pode enviar quadro contendo consulta DNS

cons. ARP

EthernetFísica

ARP

ARP

resp. ARP

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Um dia na vida… usando DNS

DNSUDP

IPEthernetFísica

DNS

DNS

DNS

DNS

DNS

Datagrama IP contendo consulta DNS repassada via comutador da LAN do cliente ao roteador do 1o salto

Datagrama IP repassado da rede do campus para rede comcast, roteado (tabelas criadas por RIP, OSPF, IS-IS e/ou protocolos de roteamento BGP) ao servidor DNS

demultiplexado ao servidor DNS Servidor DNS responde ao cliente com

endereço IP de www.google.com

rede comcast68.80.0.0/13

servidor DNS

DNSUDP

IPEthernetFísica

DNS

DNS

DNS

DNS

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Um dia na vida… conexão TCP transportando HTTP

HTTPTCPIP

EthernetFísica

HTTP

para enviar solicitação HTTP, cliente primeiro abre socket TCP com servidor Web

segmento SYN TCP (etapa 1 na apresentação de 3 vias) roteado interdomínio com servidor Web

Conexão TCP estabelecida!64.233.169.105

servidor Web

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SYN

SYN

SYN

TCPIP

EthernetFísica

SYN

SYN

SYN

SYNACK

SYNACK

SYNACK

SYNACK

SYNACK

SYNACK

SYNACK

servidor Web responde com SYNACK TCP (etapa 2 na apresentação de 3 vias)

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Um dia na via… solicitação/resposta HTTP

HTTPTCPIP

EthernetFísica

HTTP

solicitação HTTP enviada ao socket TCP

datagrama IP contendo solicitação HTTP roteado para www.google.com

datagrama IP contendo resposta HTTP roteada de volta ao cliente64.233.169.105

servidor Web

HTTPTCPIP

EthernetFísica

servidor Web responde com resposta HTTP (contendo página Web)

HTTP

HTTP

HTTPHTTP

HTTP

HTTP

HTTP

HTTP

HTTP

HTTP

HTTP

HTTP

HTTP

página Web finalmente (!!!) exibida

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