Camada de Enlace e
LANs
Magnos Martinello
Universidade Federal do Espírito
Santo - UFES
Departamento de Informática - DI
Laboratório de Pesquisas em Redes
Multimidia - LPRM
Computer Networking:
A Top Down Approach
5th edition.
Jim Kurose, Keith Ross
Addison-Wesley, April
2009.
5-1
Introdução
Terminologia:
❒ hosts e routers são nós
❒ Canais de comunicação que
conectam nodos adjacentes ao
longo do caminho de
comunicação são enlaces
❍
❍
❍
Enlaces cabeados (wired)
Enlaces sem fio (wireless)
LANs
❒ Pacote nesta camada é um
quadro (frame)
5-2
Endereçamento
❒ Endereços IP são de 32-bits:
Endereços da camada de rede
❍ Usados para levar o datagrama até a rede de
destino
❍
❒ Endereço MAC (ou LAN ou Ethernet):
função: levar o quadro de uma interface para outra
interface fisicamente-conectada (mesma rede)
❍ Endereços MAC tem 48 bits
❍
• Gravada na NIC ROM, também configurável por software
5-3
Endereços de LAN
Each adapter on LAN has unique LAN address
1A-2F-BB-76-09-AD
71-65-F7-2B-08-53
LAN
(wired or
wireless)
Broadcast address =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
= adapter
58-23-D7-FA-20-B0
0C-C4-11-6F-E3-98
5-4
Endereços de LAN
• A alocação de endereços MAC é administrada pelo IEEE
• O fabricante compra porções do espaço de endereço MAC (para assegurar
a unicidade)
• Analogia:
(a) endereço MAC: semelhante ao número do RG
(b) endereço IP: semelhante a um endereço postal
• Endereçamento MAC é “flat” => portabilidade
• É possível mover uma placa de LAN de uma rede para outra sem
reconfiguração de endereço MAC
• Endereçamento IP “hierárquico” => NÃO portável
• Depende da rede na qual se está ligado
5-5
ARP: Address Resolution Protocol
Questão: como determinar
o endereço MAC de B
sabendo o endereço IP de B?
137.196.7.78
1A-2F-BB-76-09-AD
137.196.7.23
❒ Each IP node (host,
router) on LAN has
ARP table
❒ ARP table: IP/MAC
address mappings for
some LAN nodes
137.196.7.14
< IP address; MAC address; TTL>
❍
LAN
71-65-F7-2B-08-53
137.196.7.88
58-23-D7-FA-20-B0
TTL (Time To Live): time
after which address
mapping will be forgotten
(typically 20 min)
0C-C4-11-6F-E3-98
5-6
Protocolo ARP: Mesma LAN
❒ A wants to send datagram
to B, and B’s MAC address
not in A’s ARP table.
❒ A broadcasts ARP query
packet, containing B's IP
address
❍ dest MAC address = FFFF-FF-FF-FF-FF
❍ all machines on LAN
receive ARP query
❒ B receives ARP packet,
replies to A with its (B's)
MAC address
❍
frame sent to A’s MAC
address (unicast)
❒ A caches (saves) IP-to-
MAC address pair in its
ARP table until information
becomes old (times out)
❍ soft state: information
that times out (goes
away) unless refreshed
❒ ARP is “plug-and-play”:
❍ nodes create their ARP
tables without
intervention from net
administrator
5: DataLink Layer
5-7
Roteando para outra LAN
walkthrough: send datagram from A to B via R
assume A knows B’s IP address
88-B2-2F-54-1A-0F
74-29-9C-E8-FF-55
A
111.111.111.111
E6-E9-00-17-BB-4B
1A-23-F9-CD-06-9B
222.222.222.220
111.111.111.110
111.111.111.112
R
222.222.222.221
222.222.222.222
B
49-BD-D2-C7-56-2A
CC-49-DE-D0-AB-7D
❒ two ARP tables in router R, one for each IP
network (LAN)
5: DataLink Layer
5-8
❒ A creates IP datagram with source A, destination B
❒ A uses ARP to get R’s MAC address for 111.111.111.110
❒ A creates link-layer frame with R's MAC address as dest,
❒
❒
❒
❒
❒
frame contains A-to-B IP datagram
A’s NIC sends frame
R’s NIC receives frame
R removes IP datagram from Ethernet frame, sees its
destined to B
R uses ARP to get B’s MAC address
R creates frame containing A-to-B IP datagram sends to B
88-B2-2F-54-1A-0F
74-29-9C-E8-FF-55
A
E6-E9-00-17-BB-4B
111.111.111.111
1A-23-F9-CD-06-9B
222.222.222.220
111.111.111.110
111.111.111.112
R
222.222.222.221
222.222.222.222
B
49-BD-D2-C7-56-2A
CC-49-DE-D0-AB-7D
5: DataLink Layer
5-9
Ethernet
Tecnologia de rede local “dominante” :
• Barato R$20 por 100 Mbps!
• Primeira tecnologia de LAN largamente usada
• Mais simples e mais barata que LANs com token e ATM
• Velocidade crescente: 10 Mbps – 10 Gbps
esboço da Ethernet
por Bob Metcalf
Prof: Magnos Enlace e LANs
5-10
Ethernet 802.3
• Topologia de bus popular em meados dos anos 90
• Agora a topologia em estrela prevalece
• Opções de conexão: hub ou switch (mais adiante)
Prof: Magnos Enlace e LANs
5-11
Estrutura do Quadro Ethernet
Adaptador do transmissor encapsula o datagrama IP (ou outro pacote de
protocolo da camada de rede) num quadro Ethernet
Preâmbulo:
• 7 bytes com padrão 10101010 seguido por um byte com padrão
10101011
• usado para sincronizar o relógio do transmissor e do receptor
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5-12
Estrutura do Quadro Ethernet
• Endereços: 6 bytes
• Se o adaptador recebe um quadro com endereço de destino coincidente
ou com endereço de broadcast (ex., pacote ARP), ele passa o dado no
quadro para o protocolo da camada de rede
• Tipo: indica o protocolo da camada superior; geralmente é o protocolo IP,
mas outros podem ser suportados, tais como Novell IPX e AppleTalk
• CRC: verificado no receptor; se um erro é detectado, o quadro é
simplesmente descartado
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5-13
Serviço não confiável e sem conexão
• Sem conexão: não ocorre conexão entre o adaptador transmissor e o
receptor
• Não confiável: adaptador receptor não envia ACKs ou NACKs para o
adaptador transmissor
• O fluxo de datagramas que passa para a camada de rede pode deixar
lacunas
• Lacunas serão preenchidas se a aplicação estiver usando TCP
• Caso contrário, a aplicação verá as lacunas
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5-14
Ethernet usa CSMA/CD
• Adaptador não transmite se ele detectar algum outro adaptador
transmitindo, isto é, carrier sense
• O adaptador transmissor aborta quando detecta outro adaptador
transmitindo, isto é, collision detection
• Antes de tentar uma retransmissão, o adaptador espera um período
aleatório, isto é, random access
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5-15
Algoritmo CSMA/CD da Ethernet
1. O adaptador recebe um datagrama da camada de rede e cria um quadro.
2. Se o adaptador detecta um canal livre, ele começa a transmitir o quadro.
Se ele detecta o canal ocupado, espera até ele ficar livre e então
transmite.
3. Se o adaptador transmite o quadro todo sem detectar outra transmissão,
sua missão com esse quadro está cumprida!
4. Se o adaptador detecta outra transmissão enquanto transmite, ele aborta
e envia um jam signal.
5. Após abortar, o adaptador entra em exponential backoff: após a m-ésima
colisão, o adaptador escolhe um K aleatório de {0,1,2,…,2m-1}. O
adaptador espera K·512 tempos de bit e retorna ao passo 2.
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5-16
10BaseT e 100BaseT
• Taxa de 10/100 Mbps; chamado mais tarde de “fast ethernet”
• T significa “Twisted Pair” (par de fios trançados de cobre)
• Nós se conectam a um hub: “topologia em estrela”; 100 m é a distância
máxima entre os nós e o hub
Prof: Magnos Enlace e LANs
5-17
Hubs
Essencialmente repetidores da camada física:
❍ bits coming in one link go out all other links at
same rate
❍ all nodes connected to hub can collide with one
another
❍ no frame buffering
twisted pair
hub
5-18
Interconectando com hubs
❒ Backbone hub interconnects LAN segments
❒ Extends max distance between nodes
❒ But individual segment collision domains become one
large collision domain
hub
hub
hub
hub
5-19
Comutador (Switch)
❒ Dispositivo da camada de enlace:
❍ Armazena e encaminha (store, forward) Ethernet
frames
❍ Examina o endereço do quadro MAC que chega,
seletivamente encaminha o quadro para um ou mais
interfaces de saída
❍ Quando o quadro é para ser encaminhado para um
segmento de rede, usa o protocolo CSMA/CD
❒
transparente
❍
❒
hosts não estão cientes da presença de comutadores
switches
plug-and-play, self-learning
❍
switches não precisam ser configurados
5: DataLink Layer
5-20
Switch Table
Q: Como que o switch sabe
que A’ alcançável pela
interface 4, B’ alcançável via
interface 5?
❒ R: cada switch tem uma
tabela de comutação e cada
entrada da tabela é:
❒
❍
❒
(MAC address of host, interface
to reach host, time stamp)
Q: como são as entradas
criadas e mantidas na tabela ?
A
C’
B
6
1
5
2
3
4
C
B’
A’
switch com seis interfaces
(1,2,3,4,5,6)
5: DataLink Layer
5-21
Switch: auto-didata
learns which hosts
can be reached through
which interfaces
❒ switch
❍
❍
Source: A
Dest: A’
A A A’
C’
when frame received,
switch “learns” location of
sender: incoming LAN
segment
records sender/location
pair in switch table
B
1
6
5
2
3
4
C
B’
A’
MAC addr interface TTL
A
1
60
Switch table
(initially empty)
5: DataLink Layer
5-22
Switch: frame filtering/forwarding
Quando um switch recebe um quadro:
registra a interface associada com o host emissor
indexa a tabela do switch usando end. MAC de destino
if entrada for encontrada para o destino
then{
if dest. no segmento deste quadro chegou
then descarta o quadro
else encaminha o quadro na interface indicada
}
else flood
Encaminha para todas as interfaces,
exceto para aquela em que o quadro chegou
Prof: Magnos Enlace e LANs
5-23
Self-learning,
forwarding:
example
Source: A
Dest: A’
A A A’
C’
B
❒ frame destination
unknown: flood
A6A’
1
2
4
5
❒ destination A
location known:
selective send
C
A’ A
B’
3
A’
MAC addr interface TTL
A
A’
1
4
60
60
Switch table
(initially empty)
5: DataLink Layer
5-24
Switch: acesso direto
• Switch com muitas interfaces
• Hospedeiros possuem conexão direta ao switch
• Sem colisões; full-duplex
Cut-through switching: quadro encaminhado da porta de entrada até a
porta de saída sem ter de primeiro coletar o quadro todo
• Ligeira redução na latência
• Combinações de interfaces 10/100/1000 Mbps compartilhadas/dedicadas
Switching: A-para-A’ e B-para-B’, simultaneamente, sem colisões
Prof: Magnos Enlace e LANs
5-25
Interconnecting switches
❒ switches can be connected together
S4
S1
A
B
S3
S2
C
F
D
E
I
G
H
❒ Q: sending from A to F - how does S1 know to
forward frame destined to F via S4 and S2?
❒ A: self learning! (works exactly the same as in
single-switch case!)
5: DataLink Layer
5-26
Switch example
Suppose C sends frame to D
1
B
C
A
B
E
G
3
2
hub
hub
hub
A
address interface
switch
1
1
2
3
I
D
E
F
G
H
❒ Switch receives frame from from C
❍ notes in bridge table that C is on interface 1
❍ because D is not in table, switch forwards frame into
interfaces 2 and 3
❒ frame received by D
5: DataLink Layer
5-27
Switch example
Suppose D replies back with frame to C.
address interface
switch
B
C
hub
hub
hub
A
I
D
E
F
G
A
B
E
G
C
1
1
2
3
1
H
❒ Switch receives frame from from D
❍ notes in bridge table that D is on interface 2
❍ because C is in table, switch forwards frame only to
interface 1
❒ frame received by C
5: DataLink Layer
5-28
Switch: traffic isolation
❒ switch installation breaks subnet into LAN
segments
❒ switch filters packets:
same-LAN-segment frames not usually
forwarded onto other LAN segments
❍ segments become separate collision domains
❍
switch
collision
domain
hub
collision domain
hub
collision domain
hub
5: DataLink Layer
5-29
Rede Institucional
to external
network
mail server
router
web server
IP subnet
5: DataLink Layer
5-30
Switches vs. roteadores
Comutadores vs. Roteadores
• Ambos são dispositivos store-and-forward
• Roteadores: dispositivos de camada de rede (examinam 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 switch, implementam filtragem,
algoritmos de aprendizagem
Prof: Magnos Enlace e LANs
5-31
Resumo: comparação
Resumo
hubs
roteadores
comutadores
isolação de
tráfego
não
sim
sim
plug & play
sim
não
sim
roteamento
ótimo
não
sim
não
cut
through
sim
não
sim
Prof: Magnos Enlace e LANs
5-32