5: Camada de Enlace 5a-1
Camada de Enlace e Redes Locais
5: Camada de Enlace 5a-2
Camada de Enlace: IntroduçãoAlguma terminologia: hosts e roteadores são nós canais de comunicação que
conectam nós adjacentes ao longo de um caminho de comunicação são enlaces/link enlaces cabeados enlaces sem fio (não
cabeados) LANs
Pacote da camada 2 é um quadro/frame, encapsula datagramas
“link”
a camada de enlace é responsável por transferir os datagramas entre nós adjacentes através do enlace
5: Camada de Enlace 5a-3
Protocolos da Camada de Enlace
5: Camada de Enlace 5a-4
Comunicação entre Adaptadores
camada de enlace implementada no “adaptador” (NIC) placa Ethernet, cartão
PCMCIA, cartão 802.11 lado transmissor:
Encapsula o datagrama em um quadro
Adiciona bits de verificação de erro, transferência confiável de dados, controle de fluxo, etc.
Lado receptor verifica erros, transporte
confiável, controle de fluxo, etc.
extrai o datagrama, passa-o para o nó receptor
adaptador é semi-autônomo camadas de enlace e física
nótransm.
quadro
nóreceptor
datagrama
quadro
adaptador adaptador
Protocolo da camadade enlace
5: Camada de Enlace 5a-5
Enlaces e Protocolos de Acesso MúltiploTrês tipos de enlace: (a) Ponto-a-ponto (um cabo único) (b) Difusão (cabo ou meio
compartilhado; p.ex., Ethernet, rádio, etc.)
(c) Comutado (p.ex., E-net comutada, ATM, etc)
Começamos com enlaces com Difusão. Desafio principal: Protocolo de Múltiplo Acesso
5: Camada de Enlace 5a-6
Protocolos de Acesso Múltiplo
canal de comunicação único de difusão interferência: quando dois ou mais nós transmitem
simultaneamente colisão se um nó receber dois ou mais sinais ao mesmo
tempoProtocolo de acesso múltiplo algoritmo distribuído que determina como os nós
compartilham o canal, isto é, determina quando um nó pode transmitir
comunicação sobre o compartilhamento do canal deve usar o próprio canal!não há canal fora da faixa para coordenar a transmissão
5: Camada de Enlace 5a-7
Protocolos de Acesso Aleatório
Quando nó tem um pacote para transmitir transmite na taxa máxima R.nenhuma coordenação a priori entre os nós
dois ou mais nós transmitindo ➜ “colisão”, O protocolo MAC de acesso aleatório especifica:
como detectar colisões como se recuperar delas (através de retransmissões
retardadas, por exemplo) Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório:
slotted ALOHAALOHACSMA, CSMA/CD, CSMA/CA
5: Camada de Enlace 5a-8
CSMA (Carrier Sense Multiple Access – Acesso Múltiplo com Detecção de Portadora)
CSMA: escuta antes de transmitir:Se o canal estiver livre: transmite todo o quadro Se o canal estiver ocupado, adia a transmissão
Analogia humana: não interrompa outros!
5: Camada de Enlace 5a-9
Colisões no CSMA
colisões ainda podem acontecer:atraso de propagação significa que dois nós podem não ouvira transmissão do outro colisão:todo o tempo de transmissão é desperdiçado
Disposição espacial dos nós
nota:papel da distância e atraso de propagação na determinação da probabilidade de colisão
5: Camada de Enlace 5a-10
CSMA/CD (Detecção de Colisões)
CSMA/CD: detecção da portadora, adia a transmissão como no CSMAAs colisões são detectadas em pouco tempoTransmissões que sofreram colisões são
abortadas, reduzindo o desperdício do canal Detecção de colisões:
Fácil em LANs cabeadas: mede a potência do sinal, compara o sinal recebido com o transmitido
Difícil em LANs sem fio: o receptor é desligado durante a transmissão
Analogia humana: bate papo educado!
5: Camada de Enlace 5a-11
Detecção de colisões em CSMA/CD
5: Camada de Enlace 5a-12
Tecnologias de LAN
Camada de enlace de dados até agora:serviços, detecção/correção de erros,
acesso múltiploA seguir: Tecnologias de rede local (LAN)
EndereçamentoEthernetHubs e switchesPPP
5: Camada de Enlace 5a-13
Endereços MAC e ARP
Endereço IP de 32 bits: Endereços da camada de redeusado para levar o datagrama à subrede IP
destino
Endereço MAC (ou LAN, ou físico, ou Ethernet): usado para levar o datagrama de uma
interface até outra interface conectada fisicamente (da mesma rede)
Endereço MAC de 48 bits (para a maioria das redes); queimado na ROM do adaptador
5: Camada de Enlace 5a-14
Endereços LAN e ARP
Cada adaptador na LAN possui um endereço LAN único
Endereço de Difusão =FF-FF-FF-FF-FF-FF
= adaptador
1A-2F-BB-76-09-AD
58-23-D7-FA-20-B0
0C-C4-11-6F-E3-98
71-65-F7-2B-08-53
LAN(cabeada orsem fio)
5: Camada de Enlace 5a-15
Endereço LAN (cont)
Alocação de endereços MAC administrada pelo IEEE Um fabricante compra uma parte do espaço de
endereços (para garantir unicidade) Analogia: (a) endereço MAC: como número do CPF (b) endereço IP: como endereço postal endereço MAC sem estrutura (flat)=> portabilidade
Pode mover um cartão LAN de uma LAN para outra endereço IP hierárquico NÃO é portátil (requer IP móvel)
Depende da subrede IP à qual o nó está conectado
5: Camada de Enlace 5a-16
ARP: Address Resolution Protocol (Protocolo de Resolução de Endereços)
Cada nó IP (Host, Roteador) de uma LAN possui tabela ARP
Tabela ARP: mapeamento de endereços IP/MAC para alguns nós da LAN
< endereço IP; endereço MAC; TTL> TTL (Time To Live): tempo
a partir do qual o mapeamento de endereços será esquecido (valor típico de 20 min)
Pergunta: como obter oendereço MAC de B a partir do endereço IP de B?
1A-2F-BB-76-09-AD
58-23-D7-FA-20-B0
0C-C4-11-6F-E3-98
71-65-F7-2B-08-53
LAN
237.196.7.23
237.196.7.78
237.196.7.14
237.196.7.88
5: Camada de Enlace 5a-17
Protocolo ARP: Mesma LAN (rede)
A deseja enviar datagrama para B, e o endereço MAC de B não está na tabela ARP.
A difunde o pacote de solicitação ARP, que contém o endereço IP de B Endereço MAC destino =
FF-FF-FF-FF-FF-FF todas as máquinas na
LAN recebem a consulta do ARP
B recebe o pacote ARP, responde a A com o seu (de B) endereço MAC Quadro enviado para o
endereço MAC (unicast) de A
Uma cache (salva) o par de endereços IP-para-MAC na sua tabela ARP até que a informação fique antiquada (expire) ‘soft state’: informação que
expira (vai embora) a menos que seja renovada
ARP é “plug-and-play”: os nós criam suas tabelas
ARP sem a intervenção do administrador da rede
5: Camada de Enlace 5a-18
Roteando um pacote para outra LAN
passo a passo: envio de datagrama de A para B via R assuma que A conhece o endereço IP de B
Duas tabelas ARP no roteador R, uma para cada rede IP (LAN)
In routing table at source Host, find router 111.111.111.110
In ARP table at source, find MAC address E6-E9-00-17-BB-4B, etc
A
RB
5: Camada de Enlace 5a-19
A cria datagrama com origem A, destino B A usa ARP para obter o endereço MAC de R para
111.111.111.110 A cria quadro da camada de enlace com o endereço MAC
de R como destino, quadro contém datagrama IP de A para B
O adaptador de A envia o quadro O adaptador de R recebe o quadro R remove o datagrama IP do quadro Ethernet, verifica que
é destinado para B R usa ARP para obter o endereço MAC de B R cria quadro contendo datagrama IP de A para B e o
envia para B
A
RB
5: Camada de Enlace 5a-20
Ethernet Muitíssimo difundida porque:
Muito barata! R$30 para placas 10/100Mbps!A mais antiga das tecnologias de rede localMais simples e menos cara que redes usando
ficha ou ATMAcompanhou o aumento de velocidade: 10
Mbps – 10 Gbps
Rascunho de Metcalfe sobre o Ethernet
5: Camada de Enlace 5a-21
Topologia em Estrela
Topologia de barramento popular até meados dos anos 90
Agora prevalência de topologia estrela Escolhas de conexão: hub ou switch (mais sobre isto
depois)
hub ouswitch
5: Camada de Enlace 5a-22
Estrutura de Quadro Ethernet
Adaptador remetente encapsula datagrama IP (ou pacote de outro protocolo da camada de rede) num Quadro Ethernet
Preâmbulo: 7 bytes com o padrão 10101010 seguidos por
um byte com o padrão 10101011 usado para sincronizar receptor ao relógio do
remetente (relógios nunca são exatos, é muito provável que exista algum desvio entre eles)
5: Camada de Enlace 5a-23
Estrutura de Quadro Ethernet (cont)
Endereços: 6 bytes para cada endereço MACse o adaptador recebe um quadro com
endereço destino igual ao seu, ou com endereço de difusão (ex., pacote ARP), ele passa os dados do quadro para o protocolo da camada de rede
caso contrário, o adaptador descarta o quadro
Tipo: indica o protocolo da camada superior, usualmente IP, mas existe suporte para outros (tais como IPX da Novell e AppleTalk)
CRC: verificado pelo receptor: se for detectado um erro, o quadro será descartado
5: Camada de Enlace 5a-24
Serviço não confiável e sem conexões
Sem conexões: Não há estabelecimento de conexão (saudação) entre os adaptadores transmissor e receptor.
Não confiável: o adaptador receptor não envia ACKs ou NACKs para o adaptador transmissor fluxo de datagramas passados para a camada de rede
pode conter falhas na seqüência falhas serão preenchidas se aplicação estiver usando o TCP caso contrário, a aplicação verá as falhas
5: Camada de Enlace 5a-25
Ethernet usa o CSMA/CD
Sem slots o adaptador não transmite
se perceber que algum outro adaptador está transmitindo, isto é, escuta antes de transmitir (carrier sense)
adaptador transmissor aborta quando percebe que outro adaptador está transmitindo, isto é, detecção de colisão
Antes de tentar uma retransmissão, o adaptador espera um tempo aleatório, isto é, acesso aleatório
5: Camada de Enlace 5a-26
10BaseT e 100BaseT Taxas de transmissão de 10 e 100 Mbps; esta última é
chamado de “fast ethernet” T significa Par Trançado (Twisted pair) Nós são conectados a um hub: “topologia estrela”;
distância máxima entre os nós e o hub de 100m.
par trançado
hub
5: Camada de Enlace 5a-27
HubsHubs são essencialmente repetidores de camada física:
bits vindos de um link são repetidos em todos os demais links na mesma taxa sem bufferização de quadros não há CSMA/CD no hub: os adaptadores detectam as colisões provê funcionalidade de gerenciamento da rede
par trançado
hub
5: Camada de Enlace 5a-28
Codificação de Manchester
Usado no 10BaseT Cada bit possui uma transição Permite que os relógios nos nós transmissor e receptor
entrem em sincronismo não há necessidade de um clock global, centralizado
Mas, isto é assunto para a camada física!
5: Camada de Enlace 5a-29
Gbit Ethernet
Usa formato padrão do quadro Ethernet Admite enlaces ponto-a-ponto e canais de
difusão compartilhados Em modo compartilhado, usa CSMA/CD; para
ser eficiente, as distâncias entre os nós devem ser curtas (poucos metros)
Os Hubs usados são chamados de Distribuidores com Buffers (“Buffered Distributors”)
Full-Duplex a 1 Gbps para enlaces ponto-a-ponto
Agora temos também 10 Gbps!
5: Camada de Enlace 5a-30
Interconexão com hubs
Hub no backbone interconecta segmentos de LAN Estende a distância máxima entre nós Mas os domínios de colisão de segmentos
individuais tornam-se um grande domínio de colisão Não dá para interligar 10Base T com 100BaseT
hub
hubhub
hub
5: Camada de Enlace 5a-31
Switch (comutador)
Dispositivo da camada de enlace armazena e retransmite quadros Ethernetexamina o cabeçalho do quadro e
seletivamente encaminha o quadro baseado no endereço MAC do destino
quando o quadro deve ser encaminhado num segmento, usa o CSMA/CD para acessá-lo
transparentehosts ignoram a presença dos switches
plug-and-play, self-learning (auto aprendizado)switches não necessitam ser configurados
5: Camada de Enlace 5a-32
Encaminhamento
• Como determina em que segmento de LAN deve encaminhar o quadro? • Parece um problema de roteamento...
hub
hubhub
switch1
2 3
5: Camada de Enlace 5a-33
Auto aprendizado
Um switch possui uma tabela de comutação entrada na tabela de comutação:
(Endereço MAC, Interface, Carimbo de tempo)entradas antigas na tabela são descartadas (TTL pode ser
de 60 min) switch aprende que hosts podem ser alcançados através de
quais interfacesquando um quadro é recebido, o switch “aprende” a
localização do transmissor: segmento de LAN de onde ele veio
registra o par transmissor/localização na tabela de comutação
5: Camada de Enlace 5a-34
Switch: isolamento de tráfego
Instalação do switch quebra a subrede em diversos segmentos de LAN
switch filtra os pacotes: quadros do mesmo segmento de LAN não são
normalmente encaminhados para os outros segmentos segmentos tornam-se domínios de colisão separados
hub hub hub
switch
domínio de colisãodomínio de colisão
domínio de colisão
5: Camada de Enlace 5a-35
Switches: acesso dedicado
Switch com diversas interfaces
Hosts têm conexão direta com o switch
Sem colisões; full duplex
Comutação: A-para-A’ e B-para-B’ simultaneamente, sem colisões
switch
A
A’
B
B’
C
C’
5: Camada de Enlace 5a-36
Rede Institucional/corporativa
hub
hubhub
switch
para a redeexterna
roteador
subrede IP
servidor de mail
servidor web
5: Camada de Enlace 5a-37
Switches vs. Roteadores ambos são dispositivos do tipo armazena-e-encaminha
roteadores: dispositivos da camada de rede (examinam os 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 comutação, implementam
filtragem, algoritmos de aprendizado