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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
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• 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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● 2017 Área de Telecomunicações 5/46
• 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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● 2017 Área de Telecomunicações 6/46
• 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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● 2017 Área de Telecomunicações 7/46
• 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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● 2017 Área de Telecomunicações 8/46
• 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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● 2017 Área de Telecomunicações 9/46
• Vários canais de acesso múltiplo
Enlaces e protocolos de acesso múltiplo
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● 2017 Área de Telecomunicações 10/46
• Vários canais de acesso múltiplo
Enlaces e protocolos de acesso múltiplo
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● 2017 Área de Telecomunicações 11/46
• 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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● 2017 Área de Telecomunicações 12/46
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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● 2017 Área de Telecomunicações 13/46
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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● 2017 Área de Telecomunicações 14/46
• 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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● 2017 Área de Telecomunicações 15/46
• 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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● 2017 Área de Telecomunicações 16/46
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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● 2017 Área de Telecomunicações 17/46
• 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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● 2017 Área de Telecomunicações 18/46
• 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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● 2017 Área de Telecomunicações 19/46
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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● 2017 Área de Telecomunicações 20/46
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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● 2017 Área de Telecomunicações 21/46
Detecção de colisão CSMA/CD
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● 2017 Área de Telecomunicações 22/46
• 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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● 2017 Área de Telecomunicações 23/46
• Uma rede institucional conectada por quatro comutadores
Redes locais comutadas
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● 2017 Área de Telecomunicações 24/46
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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● 2017 Área de Telecomunicações 25/46
Endereços MAC
• Cada interface conectada à LAN tem um endereço MAC exclusivo
Endereçamento na camada de enlace e ARP
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● 2017 Área de Telecomunicações 26/46
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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● 2017 Área de Telecomunicações 27/46
ARP (protocolo de resolução de endereços)
• Cada interface em uma LAN tem um endereço IP e um endereço MAC
Endereçamento na camada de enlace e ARP
● 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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● 2017 Área de Telecomunicações 28/46
Envio de um datagrama para fora da sub-rede
• Duas sub-redes interconectadas por um roteador
Endereçamento na camada de enlace e ARP
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● 2017 Área de Telecomunicações 29/46
• 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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● 2017 Área de Telecomunicações 30/46
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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● 2017 Área de Telecomunicações 31/46
• 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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● 2017 Área de Telecomunicações 32/46
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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● 2017 Área de Telecomunicações 33/46
• 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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● 2017 Área de Telecomunicações 34/46
• Conectando 2 comutadores da VLAN a duas VLANs: 2 cabos
Redes locais virtuais (VLANs)
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● 2017 Área de Telecomunicações 35/46
• Conectando 2 comutadores da VLAN a duas VLANs: entroncados
Redes locais virtuais (VLANs)
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● 2017 Área de Telecomunicações 36/46
• Quadro Ethernet original (no alto); quadro VLAN Ethernet 802.1Q-tagged (embaixo)
Redes locais virtuais (VLANs)
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● 2017 Área de Telecomunicações 37/46
• 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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● 2017 Área de Telecomunicações 38/46
• Uma rede do datacenter com uma topologia hierárquicaTOR: top-of-rack
Redes do datacenter
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● 2017 Área de Telecomunicações 39/46
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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● 2017 Área de Telecomunicações 40/46
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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● 2017 Área de Telecomunicações 41/46
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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● 2017 Área de Telecomunicações 42/46
● 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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● 2017 Área de Telecomunicações 43/46
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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● 2017 Área de Telecomunicações 44/46
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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● 2017 Área de Telecomunicações 45/46
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
SYN
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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● 2017 Área de Telecomunicações 46/46
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