O nível Físico


Relacionado a transmissão de bits sobre um canal de
comunicação. Enviar um bit 1 e garantir que se receba um
bit 1 do outro lado.
Define características mecânicas, elétricas e funcionais
para ativar, manter e desativar conexões físicas para a
transmissão de bits entre as entidades do nível
superior. Regulamenta interfaces:
 Mecânicas - Número de pinos dos conectores,
dimensões ...
 Elétricas - Níveis de tensão, corrente,
balanceamento de carga ...
 Funcionais - Temporizações, controle,
estabelecimento das conexões-físicas ...
A Camada Física
1
Princípios da Comunicação de Dados
Nenhum recurso de transmissão é capaz de transmitir
sinais sem perder parte da energia no processo.
Largura de Banda (Definição dos eletrônicos): Faixa de
freqüências transmitidas sem serem fortemente
atenuadas. Propriedade física do Meio de Transmissão
medida em Hz.
Largura de Banda (Definição dos computeiros): taxa de
dados máxima de um canal, medido em bps. É o
resultado final do uso da largura de banda analógica.
A Camada Física
2
Suportes de Transmissão


Vários meios físicos podem ser utilizados para suportar a
transmissão. Cada um com seu delay, custo, facilidade
de instalação, manutenção, largura de banda, etc.
Suportes mais comuns:
 Meios Magnéticos (DVDs, fitas) ->caminhonete com
fitas: menor custo, maior capacidade de transmissão
(Custo fita = meio centavo por gigabyte);
 Par trançado;
 Cabo coaxial;
Meios guiados
 Fibra óptica;
 Wireless – Rádio Terrestre
 Satélite.
A Camada Física
3
Par Trançado
Consiste de um par de fios enrolados em espiral fechados
em uma borda protetora. O mais comum. Trançados para
diminuir a interferência elétrica.
UTP – Unshielded Twisted Pair – o mais popular hoje,
consiste de 4 pares de fios de cobre; As padronizações
foram feitas pela EIA/TIA (Electronic Industries
Association/Telecommunications Industries Association).

Categoria 3 – Largura de Banda 16 MHz;
Categoria 5 – Largura de Banda 100 MHz;
(100 Mbps usa 2 pares,1 Gbps usa os 4 pares).
Categoria 6 – Largura de Banda 250 MHz;
Categoria 7 – Largura de Banda 600 MHz: possuem blindagem:
– Shielded Twisted-Pair . Cada par possui uma malha
metálica (blindagem).
 STP
A Camada Física
4
Exemplo Fast Ethernet sobre
diferentes suportes
A Camada Física
5
Fibra óptica

Consiste de um cilindro finíssimo de vidro, o núcleo,
circundado por uma camada concêntrica de vidro.

Sinais de dados são transmitidos na forma de pulsos
de luz: não estão sujeitos a interferência elétrica, são
rápidos e transmitem a grandes distâncias e ... são
caros.
Um pulso de luz indica bit 1, ausência de luz indica
bit 0.

A Camada Física
6
Fibra óptica – Componentes


O sistema de transmissão óptica tem 3
componentes: a fonte da luz, o meio de transmissão
e o detector que gera um pulso elétrico quando entra
em contato com a luz.
Um raio de luz incidente em um meio apropriado,
com um ângulo de incidência apropriado, faz com
que a luz seja refletida internamente e possa se
propagar por kilômetros sem perda.
A Camada Física
7
Fibra óptica – Modos

Fibra multimodo – É possível que muitos raios acima
do ângulo crítico estejam sendo refletidos
internamente. Muitos raios diferentes em angulos
diferentes. Cada raio em um modo diferente.
Tem 50 mícrons de diâmetro (1 fio de cabelo humano)

Fibra monomodo – Ao reduzir o diâmetro da fibra, ela
atua como guia de onda e a luz se propaga em linha
reta. Tem entre 8 e 10 mícrons.
É mais cara pelo processo de fabricação mais
sofisticado, porém atinge distâncias maiores.Hoje
chega a 100 Gpbs por 100km sem amplificação (?).
Limitação devido à conversão elétrico-ótico.
A Camada Física
8
Wireless LAN
O princípio utilizado é a transmissão através de ondas
eletromagnéticas que se propagam no ar. O número de
oscilações por segundo é a frequência, medida em Hz.
O espectro eletromagnético:
A Camada Física
9
Rádio

Ondas de rádio : fáceis de gerar, percorrem longas
distâncias, penetram em prédios; são omnidirecionais
(viajam em todas as direções a partir da fonte) o que não
exige que tx e rx estejam cuidadosamente alinhados
(a) Nas bandas VLF, LF e MF, as ondas obedecem a
curvatura da terra.
(b) Nas bandas HF e VHF ricocheteiam na ionosfera.
A Camada Física
10
Microondas





Acima de 100Mhz, as ondas trafegam praticamente em
linha reta o que exige o alinhamento preciso. Em grandes
distâncias a terra ficaria entre as ondas.
Não atravessam bem paredes de edifícios, e acima de
4Ghz são absorvidas pela água. (Desligar os enlaces
afetados pela chuva e criar rota alternativa);
Conveniente pelo custo para distâncias relativamente
grandes.
Os governos dos países devem controlar o uso do
espectro. Algumas bandas podem ser usadas sem
controle, como para telefone sem fio, abertura de portas
de garagens, pois com baixa potência o alcance é
pequeno e é difícil a interferência.
Bluetooth e 802.11 operam
A Camada na
Física banda de 2,4 Ghz.
11
Bandas ISM
ISM – Industrial, Scientific, Medical – Bandas reservadas
pelos governos para uso sem licença, regulando a
potência utilizada.
Banda ISM no Brasil,
tem muita coincidência
com EUA.
2,4GHz – usadas pelo 802.11b/g
5 GHz – usadas pelo 802.11a - Ambas usadas pelo 802.11n
A Camada Física
12
Modulação Digital e Multiplexação
Modulação Digital: processo de conversão entre bits e
sinais que os representam;

Transmissão de Banda Base: o sinal ocupa
frequências de zero até um máximo (depende da
taxa de sinalização) – os bits são convertidos
diretamente em sinais – comum para fios;

Transmissão de Banda Passante: o sinal ocupa uma
banda de frequências em torno da frequência do
sinal da portadora; regulam amplitude, fase ou
frequência de um sinal da portadora para transportar
bits.
A Camada Física
13
Transmissão em Banda Passante
Modulação: Processo de variar periodicamente uma forma
de onda para utilizar aquele sinal para transportar uma
mensagem. Realizado pelo modem.
(a)
Sinal binário;
(b)
Modulação por mudança de
amplitude (ASK – Amplitude
Shift Keying)
(c)
Modulação por mudança de
frequência (FSK –
Frequency Shift Keying)
(d)
Modulação por mudança de
fase (BPSK – Binary Phase
Shift Keying)
A Camada Física
14
Taxa de bits
Baud: Número de amostras por segundo. Durante cada
baud é enviado um símbolo. Uma linha de 2400 bauds,
envia 2400 símbolos/s.
Taxa de bits: Se o símbolo consiste em 0 volts para indicar
0 lógico, e 1 volt para indicar valor 1 lógico, a taxa de bits
é 2400 bps. Se usar as voltagens 0,1,2,3 cada símbolo
consiste em 2 bits, e assim uma linha de 2400 bauds pode
transmitir 2400 símbolos/s a uma taxa de bits de 4800
bps. Utiliza-se técnicas avançadas para transmitir vários
bits por baud.
Taxa de bits (bps) = símbolos/s * bits/símbolo
A Camada Física
15
Modulações mais eficientes
(a) QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) 4 combinações
de fase => 2 bits por símbolo.
(b) QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation )16
combinações de amplitude e fase => 4 bits por símbolo.
(c) QAM-64 - 64 combinações de amplitude e fase => 6
bits por símbolo.
A Camada Física
16
Multiplexação
Multiplexar: Combinar em um único sinal vários fluxos de
dados para compartilhar uma mesma linha com vários
usuários.
FDM (Frequency Division
Multiplexing) Muliplexação por
Divisão de Frequência: o
espectro é dividido em bandas
de frequência, tendo cada
usuário a posse exclusiva de
alguma banda. Ex: 3 canais de
voz, limitados a 3100Hz
OFDM – Orthogonal Frequency
multiplexados
Division Multiplexing: usada no
802.11 e 802.16.
A Camada Física
17
TDM e CDM
TDM (Time Division Multiplexing):
Cada usuário obtém a largura de
banda inteira por determinado
período de tempo;
CDM (Code Division Multiplexing): cada estação usa o
espectro de frequência o tempo todo: as txs são separadas
usando codificação. Por isto chamada de CDMA (Code
Division Multiple Access).
Comparação: Suponha um saguão de aeroporto com pares de
pessoas conversando. TDM: um par fala de cada vez. FDM:
grupos separados falam simultaneamente em tons de voz
diferentes. CDM: Todos falam simultaneamente em idiomas
diferentes (o que não é francês é ruído…).
A Camada Física
18
Rede Pública de
Telefonia Comutada
PSTN – Public Switched Telephone Network : é útil
aproveitar a infra-estrutura existente para o envio de dados.
O Circuito Terminal: Modems
O uso de transmissão analógica e digital para uma chamada
de computador a computador. A conversação é feita usando
modems (Modulador-demodulador) e codecs (Codificadordecodificador : para atingir
certa
medida de compressão). 19
A Camada
Física
O Sistema de Telefonia Móvel
Primeira Geração - Voz Analógica; Em operação desde a
década de 60; Criou a ideia de célula: utiliza um conjunto
de frequências não utilizado por células vizinhas para
evitar interferência.
No centro da célula
há a estação base
(BS) - retransmissora
de rádio.

Segunda Geração: Voz Digital: D-AMPS (Digital AMPS);
GSM - usado na Europa – acabou dominando; CDMA usado nos EUA: base p/ 3G;
A Camada Física
20
O Sistema de Telefonia Móvel
Terceira Geração: Voz Digital e Dados (smart phones). Há
2 propostas: W-CDMA - Wideband CMDA (Ericsson) união européia o chamou de UMTS; CDMA2000 dos EUA
(Qualcomm).
 Quarta Geração: LTE (Long Term Evolution) . Alguns dos
requisitos especificados pela ITU para usar o termo 4G:
 Comutação de Pacotes (não circuitos);
 RTT abaixo de 10ms
 Alta Largura de Banda: Taxa de pico de Uplink – até
50Mbps; Taxa de pico de downlink – até 100Mbps com
alta mobilidade;
 Conectividade em todo lugar;
 Integração uniforme com IP; (e outros requisitos...)
A Camada Física
21

O nível de Enlace de Dados
• Obter uma linha de transmissão e oferecê-la livres de
erros para o nível 3.
• Questões típicas:
– Quantos bits serão transmitidos de cada vez?
(Definição dos quadros de dados)
– Como delimitar estes bits?
– Se um quadro foi destruído como corrigir? (Retransm.)
– Se o reconhecimento de um quadro for destruído como
corrigir? (Lidar com duplicação de quadros)
– Como regular o tráfego se o tx é mais rápido que o rx?
– Como controlar o acesso a um canal compartilhado em
redes de difusão?
22
Nível Enlace
Papel do Nível Enlace

Nível enlace – Fornece ao nível superior (Rede) a
capacidade de pedir o estabelecimento ou liberação dos
meios físicos associados ao Nível Físico.

Permite comunicação eficiente e confiável entre dois
computadores adjacentes, ou conectados por meio de
um canal de comunicação que funciona conceitualmente
como um fio (pode ser cabo coaxial, ou canal sem fio):
os bits são entregues na ordem exata em que são
enviados.
Nível Enlace
23
Quadro

As unidades de informação transferidas chamam-se
quadros. Cada protocolo tem um formato de quadro
próprio. Relação entre pacotes (N3) e quadros (N2):

Dividir um fluxo de bits em quadros: permitir que o
receptor encontre o início de um quadro sem gastar
muita banda para isto.
24
Nível Enlace
Serviços fornecidos a camada de
Rede

Fluxo de dados em um roteador.
25
Nível Enlace
Serviços fornecidos a camada de
Rede
Serviços oferecidos com freqüência pelo Nível 2:
C
O

Serviço sem conexão e sem confirmação;
Ex: Ethernet.
N
F
I

Serviço sem conexão com confirmação;
Ex: WiFi
A
B
I
L

Serviço com conexão e confirmação. (Quando
enlaces são longos, não confiáveis);
Ex: Satélites
I
D
A
D
E
Nível Enlace
26
Serviços oferecidos - 2

Controle de erro: Detecta e possivelmente corrige
erros que possam ocorrer na troca de informações
do Nível Físico. O nível de Rede é notificado de erros
não recuperáveis. Tarefas importantes: gerência de
timers e número de seqüência de quadro;

Controle de fluxo: manter regras bem definidas sobre
quando o transmissor pode enviar o quadro seguinte.
Controla a taxa de transferência na interface com o
Nível de Rede. Ex: smartphone pede página a
servidor Web potente
Nível Enlace
27
Detecção e Correção de Erros
Há 2 estratégias para tratar erros:
 Código de correção de erros (FEC-Forward Error
Correction). Incluir informação redundante em cada bloco
de dados para que o rx deduza os dados transmitidos.
Utilizado em canais que geram muitos erros. Ex: wireless.
Código de detecção de erros: Incluir redundância apenas
para permitir que o rx deduza que houve um erro, mas
sem identificar qual. Em canais altamente confiáveis basta
detectar o erro (Ex: fibra); É acrescentada à mensagem,
um código (CRC) montado a partir de uma combinação
polinomial dos dados que compõem o quadro. O
recebedor confere o CRC, realizando a mesma
28
Nívelcombinação
Enlace
e comparando o CRC obtido com o recebido.

Protocolos Básicos
Uma implementação comum:
 na NIC (Network Interface Card) funcionam o processo da
camada física e parte da camada de enlace.
 O restante da camada de enlace e rede são parte do SO.
29
Nível Enlace
Sub-Camada de Controle de
Acesso ao Meio

Em redes de difusão, normalmente utilizadas em LANs,
é necessário determinar quem tem direito de usar o
canal quando há uma disputa por ele.

A subcamada da Camada de Enlace que cuida desta
tarefa é chamada de subcamada MAC (Medium
Access Control).
Nenhum dos métodos estáticos tradicionais de
alocação de canais funciona bem com tráfego de
rajadas. Se dividir a banda (ou tempo) entre N
Nível Enlace
usuários e tiver mais ou menos que N?

30
Alocação Dinâmica de canais
Premissas fundamentais para formular problema de alocação:
 Tráfego Independente: Há N estações independentes que
geram quadros para transmissão.
 Canal Único: Todas as estações podem transmitir e
receber por um único canal;
 Colisão: Dois quadros transmitidos simultaneamente se
sobrepõem no tempo e o sinal resultante é adulterado.
Quadros que colidiram devem ser retransmitidos;
 Tempo: Contínuo – tx começa a qualquer instante
Segmentado - Tempo dividido em slots ;
 Detecção de portadora: As estações podem ou não
detectar se o canal está sendo usado.
Estas
premissas estão envolvidas nos métodos de alocação31
Nível Enlace
de canais, dos quais veremos CSMA/CD e CSMA/CA.
CSMA / CD - Apresentação
CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access with
Collision Detection.
Comparação:
Um jantar em uma sala escura. As pessoas ao
redor da mesa devem escutar, aguardando um período
de silêncio, antes de falar (Carrier Sense). Quando há
espaço, qualquer pessoa tem chance igual de falar
(Multiple Access). Se duas pessoas falarem ao mesmo
tempo, detectam o fato (Collision Detection) e param de
falar.
Quando uma estação detecta uma colisão e
interrompe a transmissão, deve esperar um tempo
para tentar retransmitir o pacote.
32
Nívelaleatório
Enlace
CSMA / CD

O CSMA/CD pode estar em um destes tres estados:
disputa, transmissão ou inatividade.

As colisões podem ser detectadas verificando-se a
potência e a largura do pulso do sinal recebido e
comparando-o com o sinal transmitido.
Nível Enlace
33
IEEE 802

O IEEE padronizou várias redes locais e
metropolitanas com o nome de IEEE 802.

Alguns sobreviveram, outros não. Difícil prever:

Entre os sobreviventes:
 802.3 (Ethernet),
 802.11 (WiFi).
 802.15 (Bluetooth)
 802.16 (WiMax).
Nível Enlace
34
802.3 – O quadro (1)

Endereço Ethernet – (MAC address) – contém 6 bytes:
 Os 3 primeiros atribuídos pela IEEE às organizações
que constroem interfaces Ethernet;
 Os 3 últimos bytes são atribuídos pela organização.
 Exemplo: 06-0A-00-19-BC-24
 O primeiro bit é 0 para endereços comuns e 1 para
endereços de grupos (Multicast).
 Endereço com todos os bits em 1 são recebidos por
todas as estações (Broadcast).
Nível Enlace
35
802.3 – O quadro (2)

Formato do quadro (a) Formato Ethernet (DIX)
(b) Formato 802.3.
(as 2 maneiras podem ser usadas pois muito difundidas)

Preâmbulo: 7 bytes 10101010 – sinalização de ocupação
do meio. Permite sincronização entre clock do receptor e
do transmissor (a nível de bit).
IdQ (Início de quadro) – 1 byte para sincronismo a nível de
quadro.
36

Nível Enlace
802.3 – O quadro (3)

Felizmente, todos os valores do campo tipo usados
até 1997, eram maiores que 1500, o tamanho
máximo do quadro, e assim, IEEE padronizou que se
o campo contiver um número menor ou igual a 0x600
(1536) bytes é interpretado como tamanho
Nível Enlace
37
802.3 - Colisão
Há um comprimento mínimo de quadro
Nível Enlace
38
802-3 –Recuo Binário Exponencial





O tempo é dividido em slots discretos de tamanho igual ao
pior tempo de propagação de viagem de ida e volta (2t).
Depois da primeira colisão, cada estação espera 0 ou 1
slot antes de tentar novamente.
Depois da segunda colisão, cada estação espera 0,1,2 ou
3 tempos de slot.
Se ocorrer uma terceira colisão (cuja probabilidade é
0,25), na próxima vez o número de slots que deverá
esperar é escolhido ao acaso entre 0 e 23-1.
Após i colisões, é escolhido um número aleatório entre 0 e
2i-1. Acontece um congelamento em 1023 após 10
colisões.
Nível Enlace
39
Fast Ethernet – 802.3u
Decisão IEEE: Manter o 802.3 apenas tornando-o mais
rápido. Motivação:
 Manter o cabeamento existente – compatibilidade com
as redes existentes;
 Medo de protocolo novo trazer problemas inesperados;
 Manter o emprego.
 Assim, mantém o formato dos pacotes, interfaces, regras
e reduz o tempo do bit.
 Para não abandonar as placas existentes de 10Mbps, o
switch permite que duas estações negociem
automaticamente a velocidade ideal ou o tipo de duplex. O
comum hoje é o switch 10/100/1000.
40
Nível Enlace

GigabitEthernet


Objetivo: tornar a Ethernet 10 vezes mais rápida,
mantendo a compatibilidade retroativa com os padrões
Ethernet existentes. A padronização mais popular foi
chamada IEEE 802.3ab
Configurações ponto-a-ponto e não multiponto como no
padrão original.
Nível Enlace
41
802.3ae – 10Gigabit Ethernet

Funciona apenas em fibra, só opera em modo fullduplex, os protocolos de detecção de colisão são
desnecessários;

Expandiu o padrão Ethernet para uso em redes
metropolitanas (MAN) e redes de longa distância
(WAN), mantendo princípios de operação e
administração de redes;

Ainda há autonegociação para ser flexível
Nível Enlace
42
ARP – Address Resolution Protocol
ARP mapeia endereços IP em endereços de enlace.
Responde à pergunta: A quem pertence tal endereço IP?
Há broadcast na rede perguntando o MAC de tal IP.
Caso 1: Hosts na mesma rede. Ex: Host 1 tx para Host 2
Nível Enlace
43
ARP em redes diferentes
Caso 2: Hosts em redes diferentes. Ex: Host 1 (65.7) tx para


Host 4 (63.8): não é IP de sua rede, coloca MAC do rot.
Roteador pega o quadro e procura IP em suas tabelas,
descobre para que roteador mandar (talvez ARP na sua
rede para descobrir o MAC deste roteador);
Último roteador troca seu MAC pelo MAC de destino do host
44
Nível Enlace
4 (talvez ARP na sua rede para descobrir).
Redes sem Fio
• Tipos de Redes
– Redes Infra-estruturadas
A Estação Móvel está em contato direto com um
Ponto de Acesso.
– Redes Ad-Hoc
Os nós são capazes de trocar, diretamente,
informações entre si.
– Redes Mesh
Os nós são capazes de trocar, diretamente,
informações entre si, mas contam com uma
infraestrutura de apoio.
Nível Enlace
45
Tipos de Redes
M
H
FH
M
H
<= Infra-Estruturadas
A
P
M
H
FH
FH
AP – Access Point
FH – Fixed Host
MH – Mobile Host
Ad Hoc =>
Nível Enlace
46
Redes Mesh
Nível Enlace
47
Tecnologias de Redes sem Fio
Padrão IEEE
Freqüência
Alcance
(outdoor)
Taxa
802.15.1 (Bluetooth)
2.4GHz
<10m
723 Kbps
802.15.3 (UWB)
2.4GHz
30-50m
10-55Mbps
802.15.3a
3.1-10.6 GHz
<10m
110-480Mbps
802.15.4 (Zig Bee)
868M, 915M, 2.4 G
10-75m
20-250Kbps
802.11a (WiFi)
5GHz
< 50m
6-54Mbps
802.11b
2.4GHz
<100m
2-11Mbps
802.11g
2.4GHz
<100m
20-54Mbps
802.11n
2.4GHz, 5GHz
<250m
150Mbps-300Mbps
802.16 (WiMAX)
10-66GHz
10km
60-100Mbps
802.16e (100km/h)
2-6GHz
10km
70 Mbps
Nível Enlace
48
Alcance das Redes sem Fio
WPAN
WLAN
IEEE 802.15
IEEE 802.11a/b/g
Bluetooth, WUWB,
ZigBee
WMAN
IEEE 802.16
(WiMAX)
0-10m 50m 75m 100m
Nível Enlace
WWAN
IEEE 802.20
(MBWA)
10km
15km
49
WPAN – Wireless Personal Area
Networks
• Bluetooth (IEEE 802.15.1)
• Ultra Wide Band (IEEE 802.15.3)
• Zigbee (IEEE 802.15.4).
• Conjunto de dispositivos de uma pessoa dispostos,
ao redor desta, como uma bolha, dispositivos que
podem se mover e se conectar entre si.
Nível Enlace
50
ISA100.11a e WirelessHart
Derivados do IEEE 802.15.4 e disseminados na indústria
para Redes de Sensores.
“The reason both standards were developed is that there
exists no IEEE standard that directly fits the use cases for
process automation. Both ISA100.11a and IEC62591
(WirelessHart) are developments based on IEEE
802.15.4...”
Walt Boyes
Life Fellow, International Society of Automation
Editor in Chief, Control and ControlGlobal.com
51
Nível Enlace
WLAN – IEEE 802.11 a/b/g/n/ac


Originário de uma aliança de empresas foi
padronizado pelo IEEE. A Wi-Fi Alliance é um
fórum de empresas para certificação de produtos
802.11 quanto à interoperabilidade.
A Marca Wi-FiTM indica produtos certificados.
IP

Padrão IEEE 802.11 especifica:
 controle de acesso ao meio (MAC)
 protocolos de camada física (PHY)
52
LLC
IEEE
802.2
MAC
IEEE
802.11
PHY
Nível Enlace
Wireless – Características

Uma estação em uma mesma LAN pode não ser capaz de
transmitir ou receber quadros de todas as estações devido
ao alcance limitado do rádio.

O que importa é a interferência no receptor e não no
transmissor – um receptor dentro do alcance de dois
transmissores terá o sinal resultante com interferência =>
Várias conversas podem ocorrer ao mesmo tempo em
uma sala grande, desde que não dirigidas para a mesma
pessoa (“re-uso espacial”);

Não há como detectar colisões durante uma transmissão: o
sinal recebido pode ser um milhão de vezes mais fraco que
o sinal que está sendo transmitido e não pode ser
detectado ao mesmo tempo 53=> os rádios são half-duplex;
Nível Enlace
Wireless – Estação Oculta
A
e B estão no alcance um do outro; B e C também, porém
A não alcança C. Se A transmite para B e C detectar o
meio, não perceberá a transmissão. Se transmitir para o
próprio B, ou para D, arruinará a transmissão de A para B.
Queremos um MAC que impeça esta colisão. (Colisão
desperdiça banda).
O problema da estação oculta: A e C ocultos ao transmitirem
para B.
54
Nível Enlace
Wireless – Estação Exposta

A e B estão no alcance um do outro; B e C também,
porém A não alcança C. Se B transmite para A e C
desejar transmitir para D, ao detectar o meio ouvirá uma
transmissão em andamento e concluirá incorretamente
que não pode transmitir. Queremos um MAC que permita
esta transmissão (adiar desperdiça banda).
O problema da estação exposta: B e C estão expostos ao
transmitir para A e D.
55
Nível Enlace
CSMA/CA
 Quem
tem um quadro a transmitir começa com um backoff
aleatório (de 0 a 15 slots). Espera até que o canal esteja
inoperante, conta slots inoperantes,interrompendo a
contagem quando houver envio;
 Envia seu quadro quando contador chega a 0. Se não
houver confirmação, deduz colisão, aplica algoritmo de
recuo binário exponencial.
56
Nível Enlace
WiFi – Modos de Operação

PCF (Point Coordination Function) - opcional:
 Ponto de Acesso efetua polling, perguntando quem
quer transmitir => não há colisão, mas não permite
reuso espacial. (não usado na prática)

DCF (Distributed Coordination Function) não utiliza
nenhum controle central:
 CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance) tem 2
modos de operação:
 Detecção de Canal Físico– verifica o meio para
ver se há sinal válido.
 Detecção de Canal Virtual – manter registro lógico
de quando o canal está em uso.
57
Nível Enlace
Detecção de Canal Virtual
 Rastrear
vetor de alocação de rede, ou
NAV (Network Allocation Vector). Todo o quadro
transporta um campo que fornece quanto tempo levará
para concluir a sequência da qual este quadro faz parte.
As estações que escutam o quadro sabem que o canal
estará ocupado pelo período indicado pelo NAV,
independente de detectar o meio físico.
 O NAV de dados inclui o tempo necessário para a
confirmação. Quem escutar o quadro de dados adia a
transmissão para depois da confirmação.
 Um mecanismo opcional(RTS/CTS) usa o NAV para
impedir transmissões de terminais ocultos.
58
Nível Enlace
RTS/CTS
 RTS
(Request to Send): Quadro de controle curto que
contém o comprimento do quadro de dados que
possivelmente será enviado em seguida.
 CTS
(Clear to Send): Quadro de controle curto que contém
o tamanho dos dados (copiado do RTS).
 Após o recebimento de CTS, a estação A pode transmitir.
59
Nível Enlace
Detecção de Canal Virtual com
RTS/CTS
Posicionamento das estações no espaço
C
A
B
D
Uso de detecção de Canal Virtual com RTS/CTS
Não resolve o problema do terminal exposto.
60
Nível Enlace
WiFi – Rajada de Fragmentos
Redes sem fio são ruidosas e pouco confiáveis. Quanto
maior o quadro, maior a probabilidade de fracasso. Solução:
Os quadros podem ser fragmentados em pedaços menores,
assim só se retransmitiria o fragmento defeituoso.
Se C e D param o NAV após primeiro ACK, como enviar toda
a rajada? Definição de Mecanismo de Controle de tempo.
61
Nível Enlace
WiFi – Controle de Tempo
Se estiver sendo usado o PCF, a distribuição de tempo seria
de acordo com esta figura.
DIFS : Tenta adquirir o canal se o meio ficar ocioso por DIFS
EIFS : para não interferir em diálogos em andamento
62
Nível Enlace
Qualidade de Serviço
Suponha as seguintes aplicações em uma rede:
• VoIP: baixa largura de banda necessária, admite pequeno
atraso.
• Peer-to-peer: alta largura de banda consumida, admite
atraso maior que VoIP.
Na competição a voz seria degradada. Utilizar o mecanismo
de controle de tempo para dar prioridade ao VoIP.
Diferentes intervalos para diferentes tipos de quadros.
63
Nível Enlace
Espaçamento entre quadros
SIFS – Short InterFrame Spacing
AIFS1 – Arbitration Interframe Spacing – pode ser usado
pelo AP para o tráfego de voz;
AIFS4 – pode ser usado pelo AP para o tráfego peer-to-peer
64
Nível Enlace
Economia de Energia
O mecanismo utiliza quadros de baliza (Beacon Frame)
transmitidas periodicamente (ex: 100ms) pelo AP com
parâmetros do sistema.
• Cliente: seta bit de gerenciamento de energia - informa
entrada no modo de economia de energia. Cochila e aguarda
a próxima baliza para verificar se há tráfego para ele. Se
houver, recebe e pode voltar a dormir até próxima baliza.
• AP: guarda os quadros do cliente em buffer, envia baliza com
mapa do tráfego. Se requisitado, envia o tráfego armazenado.
•APSD (Automatic Power Save Delivery): AP envia quadros
para o cliente assim que o cliente enviou algo para o AP
(indicando que está acordado). Bom para aplicação com
tráfego nos 2 sentidos.
65
Nível Enlace
Formato do Quadro de dados - 1
Tipo: Dados, controle ou gerenciamento; Subtipo: Ex: RTS ou CTS;
Para DS, de DS: o quadro está indo ou vindo do Sistema de Distribuição
entre Célula ( Distribution System, ou seja, do AP);
MF: More Fragments;
Repetir: =1 indica que é retransmissão;
Ger. Energ.: Estado que estará após envio deste quadro (economia ou não);
Mais dados: AP indica que tem mais dados em seu buffer (guia economia);
66
Protegido: Corpo do quadro criptografado
com WEP;
Nível Enlace
Quadro de dados - 2
Ordem: Seqüência de quadros deve ser processada em ordem (unicast e
multicast)
Duração: Por quanto tempo o quadro e confirmação ocuparão canal –
em ms (para cálculo do NAV);
Endereços: Endereço de origem, destino, e endereços das célula-base
de origem e destino;
Seqüência: Numera o quadro (12 bits) e o fragmento (4 bits);
Dados: Carga útil de até 2312;
67
Nível Enlace
Total de verificação: CRC.
Exemplos de Quadros
Os quadros trazem muitas informações associadas aos
serviços. Ex de quadros:
Type Value Description Subtype Value Subtype Description
00
Management 0000
Association Request
00
Management 0001
Association Response
00
Management 0010
Reassociation Request
00
Management 0011
Reassociation Response
00
Management 0100
Probe Request
00
Management 0101
Probe Response
00
Management 0110-0111 Reserved
00
Management 1000
Beacon
00
Management 1010
Disassociation
00
Management 1011
Authentication
00
Management 1100
Deauthentication
00
Management 1101-1111 Reserved
01
Control
1011
Request To Send (RTS)
01
Control
1100
Clear To Send (CTS)
68
01
Control
1101
ACK e controle (Beacon frame) Nível
do Enlace
AP;
Uso dos canais na faixa ISM
ISM – Industrial, Scientific and Medical
Frequência Central
Número do Canal
Limite Superior
Limite Inferior
2401
1
2423
2426
6
2412
2406
2448
2451
2437
2
2428
2431
2411
2473
2462
7
2417
2453
2442
3
2433
2436
8
2422
2416
2458
2447
4
2441
2438
9
2421
2463
2452
2427
5
2443
2432
2400 MHz
11
Banda ISM
Nível Enlace
2446
10
2468
2457
24835 MHz
69
WiFi – IEEE 802.11n
Aprovado em 2009--Compatível com o IEEE 802.11b/g
 Alto desempenho na faixa de 2.4GHz ou 5GHz: Utiliza OFDM
e MIMO (Multiple Input, Multiple Output) que aproveita a
característica de múltiplos caminhos da onda (multipath): a
informação transmitida reflete nos objetos e atinge a antena
de recepção por diferentes ângulos e em instantes pouco
diferentes; as antenas de recepção selecionam o melhor sinal,
ou tem algum circuito para combinar os sinais recebidos
fornecendo um sinal de melhor qualidade.

Waves that travel along two different
paths will arrive with phase shift,
hence interfering with each other.
70
Nível Enlace
Riscos
•
•
•
•
•
•
•
Má-configuração
Clientes / Pontos de Acesso não autorizados
Interceptação de tráfego
Interferência / Interrupção
Ataque entre clientes
Ataque contra ponto de acesso
Quebra da informação criptografada
Warchalking: Marcar pontos com alcance 802.11
71
Nível Enlace
Spanning Tree Bridges - 1
Por confiabilidade poder-se-ia conectar bridges com enlaces
paralelos.
Quadro F0 de A é inundado por B1 como quadros F1 e F2.
Quando chegam a B2, B2 inunda com quadros F3 e F4.
Quando chegam a B1...
Nível Enlace
72
Spanning Tree Bridges - 2
Sobrepor à topologia real uma Spanning Tree que alcance
cada bridge: ignorar conexões potenciais que possam criar
loops. (Na figura ignoram-se os enlaces pontilhados).
Algoritmo spanning tree (IEEE 802.1D): Nós escolhem uma
raíz (menor MAC); encontrar shortest path da raíz a cada
bridge ( em caso de empate, menor MAC)
Nível Enlace
73
Virtual LAN - VLAN
No início a geografia superava a lógica. Se dois funcionários
trabalhassem na mesma sala estavam na mesma LAN;
além disso, uma mudança física de um funcionário
implicava em mudança de LAN;
Deseja-se flexibilidade: é interessante desacoplar a rede
física da lógica (via software!).
Razões para organizar quem está em qual LAN:
 Segurança;
 Carga;
 Tráfego de Broadcast – consome banda. (tempestade
de broadcast derrubam a rede);
Nível Enlace
74
Exemplo de 2 VLANs
Duas VLANs cinza e branca em uma LAN com bridges.
 Tabelas informam quais as VLANs são acessíveis em qual
porta. No caso de inundação ou broadcast só se copia o
quadro para as portas da mesma VLAN.
 No caso de um quadro vindo do hub, encaminhar para
VLAN G ou W? Alterar o cabeçalho do quadro Ethernet para
conter a identificação da VLAN a que o quadro pertence.

75
Nível Enlace
IEEE 802.1Q
“Colorir” o quadro, a fim de que o switch identifique para onde
encaminhá-lo. No lugar de Tipo: 0x8100 + Prioridade (3 bits)
para QoS + Bit CFI (Canonical Format Indicator) para
compatibilidade com rede Token Ring; CFI=1, não encaminhe
para porta que não usa 802.1Q até chegar a uma rede
TokenRing + Identificador de VLAN (12 bits)
76
Nível Enlace
802.1Q x 802.3
A Ethernet clássica, 802.3 não reconhece uma VLAN
como o B6. Os switches que reconhecem 802.1Q podem
inserir ou retirar a tag.
Ex: (1) Maquina 802.1Q de B1 tem pacote p/ máquina
802.3 de B5: B5 precisa retirar a tag para entregar;
(2) Mesma maq. tem pacote para máquina 802.3 de B6:
B4 precisa retirar a tag.
77
Nível Enlace