Enlace
Referência:
 Slides extraídos do material dos professores Jim
Kurose e Keith Ross relativos ao livro “Redes de
Computadores e a Internet – Uma abordagem topdown”, segunda e terceira edições
 Alterações nos slides, incluindo sequenciamento,
textos, figuras e novos slides, foram realizadas
conforme necessidade
Camada de enlace: definindo o contexto
fluxo real de PDUs
Roteador R1
protocolo
de enlace
Roteador R2
Roteador
RoteadorR3
R3
Roteador R4
Camada de enlace: definindo o contexto
 dois elementos físicos fisicamente conectados:
 host-roteador, roteador-roteador, host-host
 unidade de dados:
M
Ht M
Hn Ht M
Hl Hn Ht M
aplicação
transporte
rede
enlace
física
quadro (frame)
protocolo
de enlace
enlace
físico
placa adaptadora
rede
enlace
física
Hl Hn Ht M
quadro
Serviços da Camada de Enlace
 Enquadramento, acesso ao enlace:



encapsula datagramas em quadros, acrescentando
cabeçalhos e trailer
implementa acesso ao canal se o meio é compartilhado
‘endereços físicos’ usados nos cabeçalhos dos quadros
para identificar a fonte e o destino dos quadros
• diferente do endereço IP !
 Entrega confiável entre dois equipamentos
fisicamente conectados:



já aprendemos como isto deve ser feito (transporte)!
raramente usado em enlaces com baixa taxa de erro
(fibra, alguns tipos de par trançado)
enlaces sem-fio (wireless): altas taxas de erro
• Q: porque prover confiabilidade fim-a-fim e na
camada de enlace?
Serviços da Camada de Enlace
(cont.)
 Controle de Fluxo:
 limitação
receptor

da transmissão entre transmissor e
Detecção de Erros:
 erros
causados pela atenuação do sinal e por
ruídos.
 o receptor detecta a presença de erros:
• avisa o transmissor para reenviar o quadro perdido
 Correção de Erros:
receptor identifica e corrige o bit com
erro(s) sem recorrer à retransmissão
o
Implementação: Camada de Enlace
 implementado no “adaptador”
 ex.,
placa PCMCIA, placa Ethernet
 tipicamente inclui: RAM, chips DSP, interface
com barramento do host, e interface do enlace
M
Ht M
Hn Ht M
Hl Hn Ht M
aplicação
transporte
rede
enlace
física
protocolo
de enlace
enlace
físico
placa adaptadora
rede
enlace
física
Hl Hn Ht M
quadro
Detecção de Erros
EDC = Bits de Detecção e Correção de Erros (redundancia)
D = Dados protegidos pela verificação de erros, pode incluir os campos de
cabeçalho
• A detecção de erros não é 100% confiável!
• protocolos podem deixar passar alguns erros, mas é raro
• Quanto maior o campo EDC melhor é a capacidade de detecção e
correção de erros
Verificação de Redundância Cíclica
 encara os bits de dados, D, como um número binário
 escolhe um padrão gerador de r+1 bits, G
 objetivo: escolher CRC bits, R, tal que



<D,R> é divisível de forma exata por G
receptor conhece G, divide <D,R> por G. Se o resto é diferente
de zero: erro detectado!
pode detectar todos os erros em seqüência (burst errors) com
comprimento menor que r+1 bits
 largamente usado na prática (ATM, HDCL, Ethernet)
bits de dados a enviar
padrão de
bits
fórmula
matemática
Enlaces de Acesso Múltiplo e Protocolos
Três tipos de enlaces:
 ponto-a-ponto (fio único, ex. PPP, SLIP)
 broadcast (fio ou meio compartilhado; ex,
Ethernet, Wavelan, etc.)
 switched (ex., switched Ethernet, ATM etc)
Protocolos de Acesso Múltiplo
 canal de comunicação único e compartilhado
 duas ou mais transmissões pelos nós: interferência


apenas um nó pode transmitir com sucesso num dado instante de
tempo
protocolo de múltiplo acesso:



algoritmo distribuído que determina como as estações compartilham o
canal, isto é, determinam quando cada estação pode transmitir
comunicação sobre o compartilhamento do canal deve utilizar o própro
canal!
o que procurar em protocolos de múltiplo acesso:
• síncrono ou assíncrono
• informação necessária sobre as outras estações
• robustez (ex., em relação a erros do canal)
• desempenho
Protocolos MAC (acesso ao meio): uma
taxonomia
Três grandes classes:
 Particionamento de canal


dividem o canal em pedaços menores (compartimentos de
tempo, freqüência)
aloca um pedaço para uso exclusivo de cada nó
 Acesso Aleatório
 permite
colisões
 “recuperação” das colisões
 Passagem de Permissão

compartilhamento estritamente coordenado para evitar
colisões
Objetivo: eficiente, justo, simples,
descentralizado
Protocolos MAC com Particionamento de
Canal: TDMA
TDMA: acesso múltiplo por divisão temporal
 acesso ao canal é feito por ”turnos"
 cada estação controla um compartimento (“slot”) de tamanho
fixo (tamanho = tempo de transmissão de pacote) em cada
turno
 compartimentos não usados são disperdiçados
 exemplo: rede local com 6 estações: 1,3,4 têm pacotes,
compartimentos 2,5,6 ficam vazios
Protocolos MAC com Particionamento
de Canal: FDMA
FDMA: acesso múltiplo por divisão de freqüência
 o espectro do canal é dividido em bandas de freqüência
 cada estação recebe uma banda de freqüência
 tempo de transmissão não usado nas bandas de freqüência é
bandas de freqüência
disperdiçado
 exemplo: rede local com 6 estações: 1,3,4 têm pacotes, as bandas
de freqüência 2,5,6 ficam vazias
Particionamento de Canal (CDMA)
CDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Códigos)
 um código único é atribuído a cada usuário (“chipping
sequence”), isto é, o código define o particionamento
 muito usado em canais broadcast, sem-fio (celular,
satelite,etc)
 todos os usuários usam a mesma freqüência, mas cada usuário
tem a sua própria maneira de codificar os dados.


sinal codificado = (dados originais) X (chipping sequence)
decodificação: produto interno do sinal codificado e da seqüência de
codificação (“chipping sequence”)
 permite que múltiplos usuários “coexistam” e transmitam
simultaneamente com mínima interferência
 os códigos que minimizam a interferência são chamados
“ortogonais”
Protocolos de Acesso Aleatório
 Quando o nó tem um pacote a enviar:
 transmite com toda a taxa do canal R.
 não há uma regra de coordenação a priori entre os nós
 dois ou mais nós transmitindo -> “colisão”,
 Protocolo MAC de acesso aleatório especifica:
 como detectar colisões
 como as estações se recuperam das colisões (ex., via
retransmissões atrasadas)
 Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório:
 slotted ALOHA
 ALOHA
 CSMA e CSMA/CD
CSMA: Carrier Sense Multiple Access
CSMA: escuta antes de transmitir:
 Se o canal parece vazio: transmite o pacote
 Se o canal está ocupado, adia a transmissão
 CSMA Persistente: tenta outra vez
imediatamente com probabilidade p quando o
canal se torna livre (pode provocar
instabilidade)
 CSMA Não-persistente: tenta novamente
após um intervalo aleatório
CSMA/CD (Detecção de Colisão)
CSMA/CD: detecção de portadora, deferência
como no CSMA
 colisões
detectadas num tempo mais curto
 transmissões
com colisões são interrompidas,
reduzindo o disperdício do canal
 retransmissões persistentes ou não-persistentes
 detecção de colisão:
 fácil em LANs cabeadas: medição da intensidade do
sinal, comparação dos sinais transmitidos e
recebidos
 difícl em LANs sem fio: receptor desligado
enquanto transmitindo
Protocolos MAC com Passagem de
Permissão
Polling:
 nó mestre “convida” os
escravos a transmitirem
um de cada vez
 Mensagens Request to
Send e Clear to Send
 problemas:



polling overhead
latência
ponto único de falha
(mestre)
Token passing:
 controla um token passado de um
nó a outro sequencialmente.
 mensagem token
 problemas:



token overhead
latência
ponto único de falha (token)
Endereços de LAN e ARP
Endereços IP de 32-bit:
 endereços da
camada de rede
 usados para levar o datagrama até a rede de
destino (lembre da definição de rede IP)
Endereço de LAN (ou MAC ou físico):
 usado para levar o datagrama de uma interface
física a outra fisicamente conectada com a
primeira (isto é, na mesma rede)
 Endereços MAC com 48 bits (na maioria das LANs)
gravado na memória fixa (ROM) do adaptador de
rede
Endereços de LAN e ARP
Cada adaptador numa LAN tem um único endereço de LAN
Lembre a discussão anterior sobre roteamento
Começando em A, dado que o
datagrama está endereçado
para B (endereço IP):
A
223.1.2.1
 procure rede.endereço de B,
encontre B em alguma rede, no caso
igual à rede de A
 camada de enlace envia datagrama
para B dentro de um quadro da
camada de enlace
endereço de origem
e destino do quadro
223.1.1.1
B
223.1.1.2
223.1.1.4 223.1.2.9
223.1.1.3
223.1.3.27
223.1.3.1
endereço de origem
e destino do pacote
endereço end. MAC
MAC de B de A
end. IP end. IP
de A
de B
datagrama
quadro
dados IP
223.1.2.2
223.1.3.2
E
ARP: Address Resolution Protocol
(Protocolo de Resolução de Endereços)
Questão: como determinar
o endereço MAC de B
dado o endereço IP de B?
 Cada nó IP (Host, Roteador)
numa LAN tem um módulo e
uma tabela ARP
 Tabela ARP: mapeamento de
endereços IP/MAC para
alguns nós da LAN
< endereço IP; endereço MAC; TTL>
<
………………………….. >

TTL (Time To Live): tempo
depois do qual o mapeamento
de endereços será esquecido
(tipicamente 20 min)
Protocolo ARP
 A conhece o endereço IP de B, quer aprender o
endereço físico de B
 A envia em broadcast um pacote ARP de consulta
contendo o endereço IP de B
 todas as máquinas na LAN recebem a consulta
ARP
 B recebe o pacote ARP, responde a A com o seu (de
B) endereço de camada física
 A armazena os pares de endereço IP-físico até que
a informação se torne obsoleta (esgota a
temporização)
 soft state: informação que desaparece com o
tempo se não for re-atualizada
Ethernet
Tecnologia de rede local “dominante” :
 barato R$30 por 100Mbps!
 primeira tecnologia de LAN largamente usada
 Mais simples, e mais barata que LANs com token e ATM
 Velocidade crescente: 10, 100, 1000 Mbps
Esboço da Ethernet
por Bob Metcalf
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 as taxas de relógio do
transmissor e do receptor
Estrutura do Quadro Ethernet (mais)
 Endereços: 6 bytes, quadro é recebido por todos
os adaptadores e descartado se o endereço do
quadro não coincide com o endereço do adaptador
 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.
Algoritmo CSMA/CD da
Ethernet
1. NIC recebe datagrama da 4. Se NIC detectar outra
transmissão enquanto
camada de rede e cria
transmite, aborta e envia
quadro
sinal de congestionamento
2. Se NIC sentir canal
5. Depois de abortar, NIC
ocioso, inicia transmissão
entra em backoff
do quadro; canal ocupado,
exponencial: após m
espera até estar ocioso,
colisões, NIC escolhe K
depois transmite
aleatoriamente dentre
3. Se NIC transmitir quadro
{0,1,2,…,2m-1}. NIC espera
inteiro sem detectar outra
K · 512 tempos de bit,
transmissão, NIC
retorna à Etapa 2
terminou com o quadro!
Padrões Ethernet 802.3:
camadas de enlace e física
 muitos padrões Ethernet diferentes
 protocolo MAC e formato de quadro comuns
 diferentes velocidades: 2 Mbps, 10 Mbps, 100
Mbps, 1Gbps, 10G bps
 diferentes meios da camada física: fibra, cabo
aplicação
transporte
rede
enlace
física
protocolo MAC
e formato de quadro
100BASE-TX
100BASE-T2
100BASE-FX
100BASE-T4
100BASE-SX
100BASE-BX
camada física fibra
camada física
cobre (par trançado)
Hubs
… repetidores da camada física (“burros”) :




todos os nós conectados ao hub podem colidir uns com os
outros
sem buffering de quadros
sem CSMA/CD no hub: NICs do hospedeiro detectam
colisões, modo half-duplex
bits chegando a um enlace saem em todos os outros enlaces
na mesma velocidade
par trançado
hub
Comutador (switch)
 dispositivo da camada de enlace: mais
inteligente que os hubs, têm papel ativo


armazenam e repassam quadros Ethernet
examinam endereço MAC do quadro que chega,
repassam seletivamente o quadro para um ou mais
enlaces de saída quando o quadro deve ser repassado
no segmento, usa CSMA/CD para acessar segmento
 transparente

Hosps de camada 3 não sabem da presença de
comutadores
 plug-and-play,

autodidata
comutadores não precisam ser configurados
Ethernet Switches
 Transmissão em camada 2
(quadros) com filtragem usando
endereços de LAN
 Switching: A-para-B a A’-para-B’
simultaneamente, sem colisões
 grande número de interfaces
 muitas vezes: hosts individuais
são conectados em estrela no
switch (1 host para cada porta)
 Ethernet,
mas sem colisões!
VLANs: motivação
Como melhorar esta figura?
O que acontece se:
 usuário da CC muda para EE,
mas quer se conectar ao
comutador CC?
 único domínio de broadcast:
 todo
Ciência da
Computação
Engenharia
Elétrica
Engenharia
da Computação
tráfego de
broadcast da camada
2 (ARP, DHCP) cruza
a LAN inteira
(questões de
eficiência,
segurança/privacida
de)
 cada comutador de nível
mais baixo tem apenas
VLANs
Virtual Local
Area Network
VLAN baseada em porta:
portas de comutador agrupadas
(por software de gerenciamento de
comutador) para que único
comutador físico ……
Comutador(es)
admitindo capacidades
de VLAN podem ser
configurados para
definir múltiplas LANs
virtuais por única
infraestrutura de LAN
física.
1
7
9
15
2
8
10
16
…
…
Engenharia Elétrica
(VLAN portas 1-8)
Ciência da Computação
(VLAN portas 9-15)
… opere como múltiplos comutadores
virtuais
1
7
9
15
2
8
10
16
…
Engenharia Elétrica
(VLAN portas 1-8)
…
Ciência da Computação
(VLAN portas 9-16)
VLAN baseada em porta

isolamento de tráfego: quadros
de/para portas 1-8 só podem
roteador
alcançar portas 1-8
 também


podem definir
VLAN com base em
endereços MAC das
extremidades, em vez de
porta do comutador
inclusão dinâmica: portas
podem ser atribuídas
dinamicamente entre VLANs
repasse entre VLANS:
prática, fornecedores
vendem uma combinação de
comutador e roteador
7
9
15
2
8
10
16
…
Engenharia Elétrica
(VLAN portas 1-8)
feito por roteamento (assim como em
comutadores separados)
 na
1
…
Ciência da Computação
(VLAN portas 9-15)
VLANS spanning multiple
switches
1
7
9
15
1
3
5
7
2
8
10
16
2
4
6
8
…
Engenharia Elétrica
(VLAN portas 1-8)

…
Ciência da Computação
(VLAN portas 9-15)
Portas 2,3,5 pertencem a EE VLAN
Portas 4,6,7,8 pertencem a CS VLAN
porta de tronco: carrega quadros de múltiplas VLANS
definidas sobre vários comutadores físicos


quadros repassados dentro da VLAN entre comutadores não
podem ser quadros 802.1 (Ethernet) comuns, devem ter
informação de VLAN ID (que identifica uma dada VLAN)
protocolo 802.1q inclui campos de cabeçalho adicionais (p/ex,
VLAN ID) para quadros repassados entre portas de tronco
Formato de quadro
802.1Q VLAN
quadro 802.1
quadro 802.1Q
IEEE 802.11 Wireless LAN
 wireless LANs: rede sem fio (frequentemente móvel)
 padrão IEEE 802.11 :

protocolo MAC

espectro de freqüência livre: 900Mhz, 2.4Ghz
 Basic Service Set (BSS) (igual a
uma “célula”) contém:
 wireless hosts
 access point (AP): estação
base
 BSS’s se combinam para formar
um sistema distribuído (DS)
Redes Ad Hoc
 Rede Ad hoc: estações IEEE 802.11 podem
dinamicamente formar uma rede sem AP
 Aplicações:
 “laptop”
encontrando-se numa sala de
conferência, interconexão de equipamentos
“pessoais” , rodovia inteligente
 campo
de batalha
 IETF MANET
(Mobile Ad hoc Networks)
working group
Controle de Enlace Ponto-a-Ponto
 Um transmissor, um receptor, um link: mais fácil
que um enlace broadcast:
 não
há Controle de Acesso ao Meio
 não
há necessidade de endereçamento MAC
explícito
 ex.,
enlace discado, linha ISDN
 protocolos ponto-a-ponto populares para camada
de enlace:
 PPP
(point-to-point protocol)
 HDLC:
High level data link control (A camada de
enlace costumava ser considerada de alto nível
na pilha de protocolos!)