1ETI-15

Infra-Estrutura de Comunicaccedilatildeo

Moacutedulo 5

Paulo Gonccedilalves

2

Moacutedulo 5 ndash Camada Enlace

3

A Camada Enlace

Nossos objetivos

compreender os princiacutepios por traacutes dos serviccedilos

da camada enlace

detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

endereccedilamento na camada enlace

transferecircncia confiaacutevel de dados controle de fluxo jaacute

estudados

instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de vaacuterias

tecnologias da camada enlace

4

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

5

Camada Enlace Introduccedilatildeo

Algumas terminologias

hosts e roteadores satildeo noacutesnodos

canais de comunicaccedilatildeo que

interconectam noacutes adjacentes satildeo

links ou enlaces

enlaces cabeados

enlaces sem fio (wireless)

LANs

Um pacote da camada 2 se chama

frame ou quadro e encapsula um

datagrama

ldquolinkrdquo ou ldquoenlacerdquo

a camada enlace tem como responsabilidade

transferir um datagrama de um noacute a outro adjacente

atraveacutes de um link

6

Camada enlace contexto

Datagrama transferido por

diferentes protocolos da

camada enlace sobre links

diferentes

eg Ethernet no 1ordm link frame

relay em links intermediaacuterios

80211 no uacuteltimo link

Cada protocolo da camada

enlace provecirc diferentes tipos de

serviccedilos

eg pode ou natildeo prover rdt

sob um link

Analogia

Viagem de Recife para Lausana

limosine Recife para REC

aviatildeo REC para Genebra

trem Genebra para Lausana

turista = datagrama

segmento de transporte = link

de comunicaccedilatildeo

modo de transporte = protocolo

da camada enlace

agente de viagem = algoritmo

de roteamento

7

Serviccedilos da Camada Enlace

Framing acesso ao link

encapsula datagrama em um quadro (frame) adicionando header

trailer

acesso ao canal se meio compartilhado

endereccedilos ldquoMACrdquo usados no header para identificar fonte destino

diferente de endereccedilos IP

Transferecircncia confiaacutevel entre noacutes adjacentes

Jaacute aprendemos isso (moacutedulo 3)

raramente usada em links com baixa taxa de erro de bit (fibra

alguns pares tranccedilados)

Links wireless altas taxas de erro

Q Por quecirc prover confiabilidade fim-agrave-fim e na camada

enlace ao mesmo tempo

8

Serviccedilos da Camada Enlace

Controle de Fluxo

Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber

Detecccedilatildeo de Erros

erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal

receptor detecta a presenccedila de erros

Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o

frame

Correccedilatildeo de Erro

receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees

Half-duplex e full-duplex

half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo

tempo

9

Adaptadores

Camada enlace implementada no

adaptador de rede (aka NIC)

Placas Ethernet IEEE 80211

(Wi-Fi)

Lado emissor

encapsula datagrama em um

quadro (frame)

adiciona bits para verificaccedilatildeo de

erro rdt controle de fluxo etc

Lado receptor

Procura por erros rdt controle de

fluxo etc

extrai datagrama passa-o para a

camada de rede do noacute receptor

Adaptador eacute semi-autocircnomo

Implementa camada fiacutesica e

enlace

noacute

emissor

frame

noacute

receptor

datagrama

frame

adaptador adaptador

protocolo da camada enlace

10

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

11

Detecccedilatildeo de Erro

EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)

D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de

cabeccedilalho (header)

bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel

bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro

bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo

12

Verificaccedilatildeo de Paridade

Bit de Paridade

UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado

Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit

0 0

13

Internet checksum

Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos

como sequumlecircncia de nuacutemeros

inteiros de 16 bits

bull checksum adiccedilatildeo (soma

complemento 1) do conteuacutedo

do segmento

bull Emissor coloca o valor do

checksum no campo

checksum do UDP

Receptor

computa checksum do segmento

recebido

verifica se checksum computado eacute

igual ao informado no campo

checksum

NAtildeO - erro detectado

SIM - nenhum erro detectado

Mas erros podem natildeo ter sido

notados hellip

Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento

transmitido (nota usado na camada transporte somente)

14

Checksumming Cyclic

Redundancy Check (CRC)

Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio

escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G

objetivo escolha r CRC bits R tal que

ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)

Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de

zero erro detectado

Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits

Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)

15

CRC (Exemplo)

R = remainder[ ]D2r

G

Deseja-se

D2r XOR R = nG

Equivale agrave

D2r = nG XOR R

e

se dividimos D2r por G

desejamos objeter o resto R

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

2

Moacutedulo 5 ndash Camada Enlace

3

A Camada Enlace

Nossos objetivos

compreender os princiacutepios por traacutes dos serviccedilos

da camada enlace

detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

endereccedilamento na camada enlace

transferecircncia confiaacutevel de dados controle de fluxo jaacute

estudados

instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de vaacuterias

tecnologias da camada enlace

4

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

5

Camada Enlace Introduccedilatildeo

Algumas terminologias

hosts e roteadores satildeo noacutesnodos

canais de comunicaccedilatildeo que

interconectam noacutes adjacentes satildeo

links ou enlaces

enlaces cabeados

enlaces sem fio (wireless)

LANs

Um pacote da camada 2 se chama

frame ou quadro e encapsula um

datagrama

ldquolinkrdquo ou ldquoenlacerdquo

a camada enlace tem como responsabilidade

transferir um datagrama de um noacute a outro adjacente

atraveacutes de um link

6

Camada enlace contexto

Datagrama transferido por

diferentes protocolos da

camada enlace sobre links

diferentes

eg Ethernet no 1ordm link frame

relay em links intermediaacuterios

80211 no uacuteltimo link

Cada protocolo da camada

enlace provecirc diferentes tipos de

serviccedilos

eg pode ou natildeo prover rdt

sob um link

Analogia

Viagem de Recife para Lausana

limosine Recife para REC

aviatildeo REC para Genebra

trem Genebra para Lausana

turista = datagrama

segmento de transporte = link

de comunicaccedilatildeo

modo de transporte = protocolo

da camada enlace

agente de viagem = algoritmo

de roteamento

7

Serviccedilos da Camada Enlace

Framing acesso ao link

encapsula datagrama em um quadro (frame) adicionando header

trailer

acesso ao canal se meio compartilhado

endereccedilos ldquoMACrdquo usados no header para identificar fonte destino

diferente de endereccedilos IP

Transferecircncia confiaacutevel entre noacutes adjacentes

Jaacute aprendemos isso (moacutedulo 3)

raramente usada em links com baixa taxa de erro de bit (fibra

alguns pares tranccedilados)

Links wireless altas taxas de erro

Q Por quecirc prover confiabilidade fim-agrave-fim e na camada

enlace ao mesmo tempo

8

Serviccedilos da Camada Enlace

Controle de Fluxo

Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber

Detecccedilatildeo de Erros

erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal

receptor detecta a presenccedila de erros

Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o

frame

Correccedilatildeo de Erro

receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees

Half-duplex e full-duplex

half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo

tempo

9

Adaptadores

Camada enlace implementada no

adaptador de rede (aka NIC)

Placas Ethernet IEEE 80211

(Wi-Fi)

Lado emissor

encapsula datagrama em um

quadro (frame)

adiciona bits para verificaccedilatildeo de

erro rdt controle de fluxo etc

Lado receptor

Procura por erros rdt controle de

fluxo etc

extrai datagrama passa-o para a

camada de rede do noacute receptor

Adaptador eacute semi-autocircnomo

Implementa camada fiacutesica e

enlace

noacute

emissor

frame

noacute

receptor

datagrama

frame

adaptador adaptador

protocolo da camada enlace

10

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

11

Detecccedilatildeo de Erro

EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)

D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de

cabeccedilalho (header)

bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel

bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro

bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo

12

Verificaccedilatildeo de Paridade

Bit de Paridade

UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado

Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit

0 0

13

Internet checksum

Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos

como sequumlecircncia de nuacutemeros

inteiros de 16 bits

bull checksum adiccedilatildeo (soma

complemento 1) do conteuacutedo

do segmento

bull Emissor coloca o valor do

checksum no campo

checksum do UDP

Receptor

computa checksum do segmento

recebido

verifica se checksum computado eacute

igual ao informado no campo

checksum

NAtildeO - erro detectado

SIM - nenhum erro detectado

Mas erros podem natildeo ter sido

notados hellip

Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento

transmitido (nota usado na camada transporte somente)

14

Checksumming Cyclic

Redundancy Check (CRC)

Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio

escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G

objetivo escolha r CRC bits R tal que

ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)

Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de

zero erro detectado

Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits

Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)

15

CRC (Exemplo)

R = remainder[ ]D2r

G

Deseja-se

D2r XOR R = nG

Equivale agrave

D2r = nG XOR R

e

se dividimos D2r por G

desejamos objeter o resto R

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

3

A Camada Enlace

Nossos objetivos

compreender os princiacutepios por traacutes dos serviccedilos

da camada enlace

detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

endereccedilamento na camada enlace

transferecircncia confiaacutevel de dados controle de fluxo jaacute

estudados

instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de vaacuterias

tecnologias da camada enlace

4

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

5

Camada Enlace Introduccedilatildeo

Algumas terminologias

hosts e roteadores satildeo noacutesnodos

canais de comunicaccedilatildeo que

interconectam noacutes adjacentes satildeo

links ou enlaces

enlaces cabeados

enlaces sem fio (wireless)

LANs

Um pacote da camada 2 se chama

frame ou quadro e encapsula um

datagrama

ldquolinkrdquo ou ldquoenlacerdquo

a camada enlace tem como responsabilidade

transferir um datagrama de um noacute a outro adjacente

atraveacutes de um link

6

Camada enlace contexto

Datagrama transferido por

diferentes protocolos da

camada enlace sobre links

diferentes

eg Ethernet no 1ordm link frame

relay em links intermediaacuterios

80211 no uacuteltimo link

Cada protocolo da camada

enlace provecirc diferentes tipos de

serviccedilos

eg pode ou natildeo prover rdt

sob um link

Analogia

Viagem de Recife para Lausana

limosine Recife para REC

aviatildeo REC para Genebra

trem Genebra para Lausana

turista = datagrama

segmento de transporte = link

de comunicaccedilatildeo

modo de transporte = protocolo

da camada enlace

agente de viagem = algoritmo

de roteamento

7

Serviccedilos da Camada Enlace

Framing acesso ao link

encapsula datagrama em um quadro (frame) adicionando header

trailer

acesso ao canal se meio compartilhado

endereccedilos ldquoMACrdquo usados no header para identificar fonte destino

diferente de endereccedilos IP

Transferecircncia confiaacutevel entre noacutes adjacentes

Jaacute aprendemos isso (moacutedulo 3)

raramente usada em links com baixa taxa de erro de bit (fibra

alguns pares tranccedilados)

Links wireless altas taxas de erro

Q Por quecirc prover confiabilidade fim-agrave-fim e na camada

enlace ao mesmo tempo

8

Serviccedilos da Camada Enlace

Controle de Fluxo

Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber

Detecccedilatildeo de Erros

erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal

receptor detecta a presenccedila de erros

Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o

frame

Correccedilatildeo de Erro

receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees

Half-duplex e full-duplex

half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo

tempo

9

Adaptadores

Camada enlace implementada no

adaptador de rede (aka NIC)

Placas Ethernet IEEE 80211

(Wi-Fi)

Lado emissor

encapsula datagrama em um

quadro (frame)

adiciona bits para verificaccedilatildeo de

erro rdt controle de fluxo etc

Lado receptor

Procura por erros rdt controle de

fluxo etc

extrai datagrama passa-o para a

camada de rede do noacute receptor

Adaptador eacute semi-autocircnomo

Implementa camada fiacutesica e

enlace

noacute

emissor

frame

noacute

receptor

datagrama

frame

adaptador adaptador

protocolo da camada enlace

10

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

11

Detecccedilatildeo de Erro

EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)

D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de

cabeccedilalho (header)

bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel

bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro

bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo

12

Verificaccedilatildeo de Paridade

Bit de Paridade

UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado

Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit

0 0

13

Internet checksum

Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos

como sequumlecircncia de nuacutemeros

inteiros de 16 bits

bull checksum adiccedilatildeo (soma

complemento 1) do conteuacutedo

do segmento

bull Emissor coloca o valor do

checksum no campo

checksum do UDP

Receptor

computa checksum do segmento

recebido

verifica se checksum computado eacute

igual ao informado no campo

checksum

NAtildeO - erro detectado

SIM - nenhum erro detectado

Mas erros podem natildeo ter sido

notados hellip

Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento

transmitido (nota usado na camada transporte somente)

14

Checksumming Cyclic

Redundancy Check (CRC)

Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio

escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G

objetivo escolha r CRC bits R tal que

ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)

Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de

zero erro detectado

Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits

Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)

15

CRC (Exemplo)

R = remainder[ ]D2r

G

Deseja-se

D2r XOR R = nG

Equivale agrave

D2r = nG XOR R

e

se dividimos D2r por G

desejamos objeter o resto R

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

4

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

5

Camada Enlace Introduccedilatildeo

Algumas terminologias

hosts e roteadores satildeo noacutesnodos

canais de comunicaccedilatildeo que

interconectam noacutes adjacentes satildeo

links ou enlaces

enlaces cabeados

enlaces sem fio (wireless)

LANs

Um pacote da camada 2 se chama

frame ou quadro e encapsula um

datagrama

ldquolinkrdquo ou ldquoenlacerdquo

a camada enlace tem como responsabilidade

transferir um datagrama de um noacute a outro adjacente

atraveacutes de um link

6

Camada enlace contexto

Datagrama transferido por

diferentes protocolos da

camada enlace sobre links

diferentes

eg Ethernet no 1ordm link frame

relay em links intermediaacuterios

80211 no uacuteltimo link

Cada protocolo da camada

enlace provecirc diferentes tipos de

serviccedilos

eg pode ou natildeo prover rdt

sob um link

Analogia

Viagem de Recife para Lausana

limosine Recife para REC

aviatildeo REC para Genebra

trem Genebra para Lausana

turista = datagrama

segmento de transporte = link

de comunicaccedilatildeo

modo de transporte = protocolo

da camada enlace

agente de viagem = algoritmo

de roteamento

7

Serviccedilos da Camada Enlace

Framing acesso ao link

encapsula datagrama em um quadro (frame) adicionando header

trailer

acesso ao canal se meio compartilhado

endereccedilos ldquoMACrdquo usados no header para identificar fonte destino

diferente de endereccedilos IP

Transferecircncia confiaacutevel entre noacutes adjacentes

Jaacute aprendemos isso (moacutedulo 3)

raramente usada em links com baixa taxa de erro de bit (fibra

alguns pares tranccedilados)

Links wireless altas taxas de erro

Q Por quecirc prover confiabilidade fim-agrave-fim e na camada

enlace ao mesmo tempo

8

Serviccedilos da Camada Enlace

Controle de Fluxo

Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber

Detecccedilatildeo de Erros

erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal

receptor detecta a presenccedila de erros

Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o

frame

Correccedilatildeo de Erro

receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees

Half-duplex e full-duplex

half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo

tempo

9

Adaptadores

Camada enlace implementada no

adaptador de rede (aka NIC)

Placas Ethernet IEEE 80211

(Wi-Fi)

Lado emissor

encapsula datagrama em um

quadro (frame)

adiciona bits para verificaccedilatildeo de

erro rdt controle de fluxo etc

Lado receptor

Procura por erros rdt controle de

fluxo etc

extrai datagrama passa-o para a

camada de rede do noacute receptor

Adaptador eacute semi-autocircnomo

Implementa camada fiacutesica e

enlace

noacute

emissor

frame

noacute

receptor

datagrama

frame

adaptador adaptador

protocolo da camada enlace

10

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

11

Detecccedilatildeo de Erro

EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)

D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de

cabeccedilalho (header)

bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel

bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro

bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo

12

Verificaccedilatildeo de Paridade

Bit de Paridade

UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado

Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit

0 0

13

Internet checksum

Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos

como sequumlecircncia de nuacutemeros

inteiros de 16 bits

bull checksum adiccedilatildeo (soma

complemento 1) do conteuacutedo

do segmento

bull Emissor coloca o valor do

checksum no campo

checksum do UDP

Receptor

computa checksum do segmento

recebido

verifica se checksum computado eacute

igual ao informado no campo

checksum

NAtildeO - erro detectado

SIM - nenhum erro detectado

Mas erros podem natildeo ter sido

notados hellip

Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento

transmitido (nota usado na camada transporte somente)

14

Checksumming Cyclic

Redundancy Check (CRC)

Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio

escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G

objetivo escolha r CRC bits R tal que

ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)

Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de

zero erro detectado

Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits

Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)

15

CRC (Exemplo)

R = remainder[ ]D2r

G

Deseja-se

D2r XOR R = nG

Equivale agrave

D2r = nG XOR R

e

se dividimos D2r por G

desejamos objeter o resto R

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

5

Camada Enlace Introduccedilatildeo

Algumas terminologias

hosts e roteadores satildeo noacutesnodos

canais de comunicaccedilatildeo que

interconectam noacutes adjacentes satildeo

links ou enlaces

enlaces cabeados

enlaces sem fio (wireless)

LANs

Um pacote da camada 2 se chama

frame ou quadro e encapsula um

datagrama

ldquolinkrdquo ou ldquoenlacerdquo

a camada enlace tem como responsabilidade

transferir um datagrama de um noacute a outro adjacente

atraveacutes de um link

6

Camada enlace contexto

Datagrama transferido por

diferentes protocolos da

camada enlace sobre links

diferentes

eg Ethernet no 1ordm link frame

relay em links intermediaacuterios

80211 no uacuteltimo link

Cada protocolo da camada

enlace provecirc diferentes tipos de

serviccedilos

eg pode ou natildeo prover rdt

sob um link

Analogia

Viagem de Recife para Lausana

limosine Recife para REC

aviatildeo REC para Genebra

trem Genebra para Lausana

turista = datagrama

segmento de transporte = link

de comunicaccedilatildeo

modo de transporte = protocolo

da camada enlace

agente de viagem = algoritmo

de roteamento

7

Serviccedilos da Camada Enlace

Framing acesso ao link

encapsula datagrama em um quadro (frame) adicionando header

trailer

acesso ao canal se meio compartilhado

endereccedilos ldquoMACrdquo usados no header para identificar fonte destino

diferente de endereccedilos IP

Transferecircncia confiaacutevel entre noacutes adjacentes

Jaacute aprendemos isso (moacutedulo 3)

raramente usada em links com baixa taxa de erro de bit (fibra

alguns pares tranccedilados)

Links wireless altas taxas de erro

Q Por quecirc prover confiabilidade fim-agrave-fim e na camada

enlace ao mesmo tempo

8

Serviccedilos da Camada Enlace

Controle de Fluxo

Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber

Detecccedilatildeo de Erros

erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal

receptor detecta a presenccedila de erros

Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o

frame

Correccedilatildeo de Erro

receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees

Half-duplex e full-duplex

half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo

tempo

9

Adaptadores

Camada enlace implementada no

adaptador de rede (aka NIC)

Placas Ethernet IEEE 80211

(Wi-Fi)

Lado emissor

encapsula datagrama em um

quadro (frame)

adiciona bits para verificaccedilatildeo de

erro rdt controle de fluxo etc

Lado receptor

Procura por erros rdt controle de

fluxo etc

extrai datagrama passa-o para a

camada de rede do noacute receptor

Adaptador eacute semi-autocircnomo

Implementa camada fiacutesica e

enlace

noacute

emissor

frame

noacute

receptor

datagrama

frame

adaptador adaptador

protocolo da camada enlace

10

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

11

Detecccedilatildeo de Erro

EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)

D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de

cabeccedilalho (header)

bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel

bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro

bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo

12

Verificaccedilatildeo de Paridade

Bit de Paridade

UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado

Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit

0 0

13

Internet checksum

Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos

como sequumlecircncia de nuacutemeros

inteiros de 16 bits

bull checksum adiccedilatildeo (soma

complemento 1) do conteuacutedo

do segmento

bull Emissor coloca o valor do

checksum no campo

checksum do UDP

Receptor

computa checksum do segmento

recebido

verifica se checksum computado eacute

igual ao informado no campo

checksum

NAtildeO - erro detectado

SIM - nenhum erro detectado

Mas erros podem natildeo ter sido

notados hellip

Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento

transmitido (nota usado na camada transporte somente)

14

Checksumming Cyclic

Redundancy Check (CRC)

Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio

escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G

objetivo escolha r CRC bits R tal que

ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)

Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de

zero erro detectado

Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits

Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)

15

CRC (Exemplo)

R = remainder[ ]D2r

G

Deseja-se

D2r XOR R = nG

Equivale agrave

D2r = nG XOR R

e

se dividimos D2r por G

desejamos objeter o resto R

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

6

Camada enlace contexto

Datagrama transferido por

diferentes protocolos da

camada enlace sobre links

diferentes

eg Ethernet no 1ordm link frame

relay em links intermediaacuterios

80211 no uacuteltimo link

Cada protocolo da camada

enlace provecirc diferentes tipos de

serviccedilos

eg pode ou natildeo prover rdt

sob um link

Analogia

Viagem de Recife para Lausana

limosine Recife para REC

aviatildeo REC para Genebra

trem Genebra para Lausana

turista = datagrama

segmento de transporte = link

de comunicaccedilatildeo

modo de transporte = protocolo

da camada enlace

agente de viagem = algoritmo

de roteamento

7

Serviccedilos da Camada Enlace

Framing acesso ao link

encapsula datagrama em um quadro (frame) adicionando header

trailer

acesso ao canal se meio compartilhado

endereccedilos ldquoMACrdquo usados no header para identificar fonte destino

diferente de endereccedilos IP

Transferecircncia confiaacutevel entre noacutes adjacentes

Jaacute aprendemos isso (moacutedulo 3)

raramente usada em links com baixa taxa de erro de bit (fibra

alguns pares tranccedilados)

Links wireless altas taxas de erro

Q Por quecirc prover confiabilidade fim-agrave-fim e na camada

enlace ao mesmo tempo

8

Serviccedilos da Camada Enlace

Controle de Fluxo

Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber

Detecccedilatildeo de Erros

erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal

receptor detecta a presenccedila de erros

Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o

frame

Correccedilatildeo de Erro

receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees

Half-duplex e full-duplex

half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo

tempo

9

Adaptadores

Camada enlace implementada no

adaptador de rede (aka NIC)

Placas Ethernet IEEE 80211

(Wi-Fi)

Lado emissor

encapsula datagrama em um

quadro (frame)

adiciona bits para verificaccedilatildeo de

erro rdt controle de fluxo etc

Lado receptor

Procura por erros rdt controle de

fluxo etc

extrai datagrama passa-o para a

camada de rede do noacute receptor

Adaptador eacute semi-autocircnomo

Implementa camada fiacutesica e

enlace

noacute

emissor

frame

noacute

receptor

datagrama

frame

adaptador adaptador

protocolo da camada enlace

10

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

11

Detecccedilatildeo de Erro

EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)

D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de

cabeccedilalho (header)

bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel

bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro

bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo

12

Verificaccedilatildeo de Paridade

Bit de Paridade

UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado

Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit

0 0

13

Internet checksum

Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos

como sequumlecircncia de nuacutemeros

inteiros de 16 bits

bull checksum adiccedilatildeo (soma

complemento 1) do conteuacutedo

do segmento

bull Emissor coloca o valor do

checksum no campo

checksum do UDP

Receptor

computa checksum do segmento

recebido

verifica se checksum computado eacute

igual ao informado no campo

checksum

NAtildeO - erro detectado

SIM - nenhum erro detectado

Mas erros podem natildeo ter sido

notados hellip

Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento

transmitido (nota usado na camada transporte somente)

14

Checksumming Cyclic

Redundancy Check (CRC)

Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio

escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G

objetivo escolha r CRC bits R tal que

ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)

Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de

zero erro detectado

Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits

Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)

15

CRC (Exemplo)

R = remainder[ ]D2r

G

Deseja-se

D2r XOR R = nG

Equivale agrave

D2r = nG XOR R

e

se dividimos D2r por G

desejamos objeter o resto R

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

7

Serviccedilos da Camada Enlace

Framing acesso ao link

encapsula datagrama em um quadro (frame) adicionando header

trailer

acesso ao canal se meio compartilhado

endereccedilos ldquoMACrdquo usados no header para identificar fonte destino

diferente de endereccedilos IP

Transferecircncia confiaacutevel entre noacutes adjacentes

Jaacute aprendemos isso (moacutedulo 3)

raramente usada em links com baixa taxa de erro de bit (fibra

alguns pares tranccedilados)

Links wireless altas taxas de erro

Q Por quecirc prover confiabilidade fim-agrave-fim e na camada

enlace ao mesmo tempo

8

Serviccedilos da Camada Enlace

Controle de Fluxo

Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber

Detecccedilatildeo de Erros

erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal

receptor detecta a presenccedila de erros

Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o

frame

Correccedilatildeo de Erro

receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees

Half-duplex e full-duplex

half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo

tempo

9

Adaptadores

Camada enlace implementada no

adaptador de rede (aka NIC)

Placas Ethernet IEEE 80211

(Wi-Fi)

Lado emissor

encapsula datagrama em um

quadro (frame)

adiciona bits para verificaccedilatildeo de

erro rdt controle de fluxo etc

Lado receptor

Procura por erros rdt controle de

fluxo etc

extrai datagrama passa-o para a

camada de rede do noacute receptor

Adaptador eacute semi-autocircnomo

Implementa camada fiacutesica e

enlace

noacute

emissor

frame

noacute

receptor

datagrama

frame

adaptador adaptador

protocolo da camada enlace

10

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

11

Detecccedilatildeo de Erro

EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)

D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de

cabeccedilalho (header)

bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel

bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro

bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo

12

Verificaccedilatildeo de Paridade

Bit de Paridade

UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado

Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit

0 0

13

Internet checksum

Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos

como sequumlecircncia de nuacutemeros

inteiros de 16 bits

bull checksum adiccedilatildeo (soma

complemento 1) do conteuacutedo

do segmento

bull Emissor coloca o valor do

checksum no campo

checksum do UDP

Receptor

computa checksum do segmento

recebido

verifica se checksum computado eacute

igual ao informado no campo

checksum

NAtildeO - erro detectado

SIM - nenhum erro detectado

Mas erros podem natildeo ter sido

notados hellip

Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento

transmitido (nota usado na camada transporte somente)

14

Checksumming Cyclic

Redundancy Check (CRC)

Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio

escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G

objetivo escolha r CRC bits R tal que

ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)

Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de

zero erro detectado

Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits

Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)

15

CRC (Exemplo)

R = remainder[ ]D2r

G

Deseja-se

D2r XOR R = nG

Equivale agrave

D2r = nG XOR R

e

se dividimos D2r por G

desejamos objeter o resto R

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

8

Serviccedilos da Camada Enlace

Controle de Fluxo

Emissor natildeo envia mais dados do que o receptor adjacente possa receber

Detecccedilatildeo de Erros

erros causados por ruiacutedo e atenuaccedilatildeo de sinal

receptor detecta a presenccedila de erros

Sinaliza emissor para fazer retransmissatildeo ou descarta o

frame

Correccedilatildeo de Erro

receptor identifica e corrige erro(s) de bit sem ter que pedir retransmissotildees

Half-duplex e full-duplex

half duplex - noacutes na extremidade do link podem transmitir mas natildeo ao mesmo

tempo

9

Adaptadores

Camada enlace implementada no

adaptador de rede (aka NIC)

Placas Ethernet IEEE 80211

(Wi-Fi)

Lado emissor

encapsula datagrama em um

quadro (frame)

adiciona bits para verificaccedilatildeo de

erro rdt controle de fluxo etc

Lado receptor

Procura por erros rdt controle de

fluxo etc

extrai datagrama passa-o para a

camada de rede do noacute receptor

Adaptador eacute semi-autocircnomo

Implementa camada fiacutesica e

enlace

noacute

emissor

frame

noacute

receptor

datagrama

frame

adaptador adaptador

protocolo da camada enlace

10

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

11

Detecccedilatildeo de Erro

EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)

D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de

cabeccedilalho (header)

bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel

bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro

bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo

12

Verificaccedilatildeo de Paridade

Bit de Paridade

UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado

Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit

0 0

13

Internet checksum

Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos

como sequumlecircncia de nuacutemeros

inteiros de 16 bits

bull checksum adiccedilatildeo (soma

complemento 1) do conteuacutedo

do segmento

bull Emissor coloca o valor do

checksum no campo

checksum do UDP

Receptor

computa checksum do segmento

recebido

verifica se checksum computado eacute

igual ao informado no campo

checksum

NAtildeO - erro detectado

SIM - nenhum erro detectado

Mas erros podem natildeo ter sido

notados hellip

Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento

transmitido (nota usado na camada transporte somente)

14

Checksumming Cyclic

Redundancy Check (CRC)

Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio

escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G

objetivo escolha r CRC bits R tal que

ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)

Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de

zero erro detectado

Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits

Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)

15

CRC (Exemplo)

R = remainder[ ]D2r

G

Deseja-se

D2r XOR R = nG

Equivale agrave

D2r = nG XOR R

e

se dividimos D2r por G

desejamos objeter o resto R

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

9

Adaptadores

Camada enlace implementada no

adaptador de rede (aka NIC)

Placas Ethernet IEEE 80211

(Wi-Fi)

Lado emissor

encapsula datagrama em um

quadro (frame)

adiciona bits para verificaccedilatildeo de

erro rdt controle de fluxo etc

Lado receptor

Procura por erros rdt controle de

fluxo etc

extrai datagrama passa-o para a

camada de rede do noacute receptor

Adaptador eacute semi-autocircnomo

Implementa camada fiacutesica e

enlace

noacute

emissor

frame

noacute

receptor

datagrama

frame

adaptador adaptador

protocolo da camada enlace

10

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

11

Detecccedilatildeo de Erro

EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)

D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de

cabeccedilalho (header)

bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel

bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro

bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo

12

Verificaccedilatildeo de Paridade

Bit de Paridade

UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado

Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit

0 0

13

Internet checksum

Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos

como sequumlecircncia de nuacutemeros

inteiros de 16 bits

bull checksum adiccedilatildeo (soma

complemento 1) do conteuacutedo

do segmento

bull Emissor coloca o valor do

checksum no campo

checksum do UDP

Receptor

computa checksum do segmento

recebido

verifica se checksum computado eacute

igual ao informado no campo

checksum

NAtildeO - erro detectado

SIM - nenhum erro detectado

Mas erros podem natildeo ter sido

notados hellip

Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento

transmitido (nota usado na camada transporte somente)

14

Checksumming Cyclic

Redundancy Check (CRC)

Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio

escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G

objetivo escolha r CRC bits R tal que

ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)

Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de

zero erro detectado

Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits

Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)

15

CRC (Exemplo)

R = remainder[ ]D2r

G

Deseja-se

D2r XOR R = nG

Equivale agrave

D2r = nG XOR R

e

se dividimos D2r por G

desejamos objeter o resto R

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

10

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

11

Detecccedilatildeo de Erro

EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)

D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de

cabeccedilalho (header)

bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel

bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro

bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo

12

Verificaccedilatildeo de Paridade

Bit de Paridade

UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado

Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit

0 0

13

Internet checksum

Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos

como sequumlecircncia de nuacutemeros

inteiros de 16 bits

bull checksum adiccedilatildeo (soma

complemento 1) do conteuacutedo

do segmento

bull Emissor coloca o valor do

checksum no campo

checksum do UDP

Receptor

computa checksum do segmento

recebido

verifica se checksum computado eacute

igual ao informado no campo

checksum

NAtildeO - erro detectado

SIM - nenhum erro detectado

Mas erros podem natildeo ter sido

notados hellip

Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento

transmitido (nota usado na camada transporte somente)

14

Checksumming Cyclic

Redundancy Check (CRC)

Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio

escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G

objetivo escolha r CRC bits R tal que

ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)

Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de

zero erro detectado

Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits

Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)

15

CRC (Exemplo)

R = remainder[ ]D2r

G

Deseja-se

D2r XOR R = nG

Equivale agrave

D2r = nG XOR R

e

se dividimos D2r por G

desejamos objeter o resto R

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

11

Detecccedilatildeo de Erro

EDC = bits de Detecccedilatildeo e Correccedilatildeo de erro (redundacircncia)

D = Dado protegido pela verificaccedilatildeo de erro pode incluir campos de

cabeccedilalho (header)

bull Detecccedilatildeo de Erro natildeo eacute 100 confiaacutevel

bull protocolo pode natildeo achar alguns erros mas eacute raro

bull campo EDC grande permite melhor desempenho de detecccedilatildeo e correccedilatildeo

12

Verificaccedilatildeo de Paridade

Bit de Paridade

UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado

Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit

0 0

13

Internet checksum

Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos

como sequumlecircncia de nuacutemeros

inteiros de 16 bits

bull checksum adiccedilatildeo (soma

complemento 1) do conteuacutedo

do segmento

bull Emissor coloca o valor do

checksum no campo

checksum do UDP

Receptor

computa checksum do segmento

recebido

verifica se checksum computado eacute

igual ao informado no campo

checksum

NAtildeO - erro detectado

SIM - nenhum erro detectado

Mas erros podem natildeo ter sido

notados hellip

Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento

transmitido (nota usado na camada transporte somente)

14

Checksumming Cyclic

Redundancy Check (CRC)

Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio

escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G

objetivo escolha r CRC bits R tal que

ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)

Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de

zero erro detectado

Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits

Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)

15

CRC (Exemplo)

R = remainder[ ]D2r

G

Deseja-se

D2r XOR R = nG

Equivale agrave

D2r = nG XOR R

e

se dividimos D2r por G

desejamos objeter o resto R

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

12

Verificaccedilatildeo de Paridade

Bit de Paridade

UacutenicoDetecta um uacutenico bit errado

Paridade BidimensionalDetecta e corrige erro em um uacutenico bit

0 0

13

Internet checksum

Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos

como sequumlecircncia de nuacutemeros

inteiros de 16 bits

bull checksum adiccedilatildeo (soma

complemento 1) do conteuacutedo

do segmento

bull Emissor coloca o valor do

checksum no campo

checksum do UDP

Receptor

computa checksum do segmento

recebido

verifica se checksum computado eacute

igual ao informado no campo

checksum

NAtildeO - erro detectado

SIM - nenhum erro detectado

Mas erros podem natildeo ter sido

notados hellip

Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento

transmitido (nota usado na camada transporte somente)

14

Checksumming Cyclic

Redundancy Check (CRC)

Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio

escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G

objetivo escolha r CRC bits R tal que

ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)

Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de

zero erro detectado

Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits

Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)

15

CRC (Exemplo)

R = remainder[ ]D2r

G

Deseja-se

D2r XOR R = nG

Equivale agrave

D2r = nG XOR R

e

se dividimos D2r por G

desejamos objeter o resto R

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

13

Internet checksum

Emissorbull Trata conteuacutedo de segmentos

como sequumlecircncia de nuacutemeros

inteiros de 16 bits

bull checksum adiccedilatildeo (soma

complemento 1) do conteuacutedo

do segmento

bull Emissor coloca o valor do

checksum no campo

checksum do UDP

Receptor

computa checksum do segmento

recebido

verifica se checksum computado eacute

igual ao informado no campo

checksum

NAtildeO - erro detectado

SIM - nenhum erro detectado

Mas erros podem natildeo ter sido

notados hellip

Objetivo detecta ldquoerrosrdquo (eg bits trocados) em um segmento

transmitido (nota usado na camada transporte somente)

14

Checksumming Cyclic

Redundancy Check (CRC)

Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio

escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G

objetivo escolha r CRC bits R tal que

ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)

Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de

zero erro detectado

Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits

Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)

15

CRC (Exemplo)

R = remainder[ ]D2r

G

Deseja-se

D2r XOR R = nG

Equivale agrave

D2r = nG XOR R

e

se dividimos D2r por G

desejamos objeter o resto R

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

14

Checksumming Cyclic

Redundancy Check (CRC)

Enxerga bits de dados D como um nuacutemero binaacuterio

escolhe padratildeo de r+1 bits (gerador) G

objetivo escolha r CRC bits R tal que

ltDRgt eacute exatamente divisiacutevel por G (moacutedulo 2)

Receptor conhece G divide ltDRgt por G Se resto diferente de

zero erro detectado

Pode detectar quaquer rajada de erro menor que r+1 bits

Amplamente utilizado na praacutetica (ATM HDLC)

15

CRC (Exemplo)

R = remainder[ ]D2r

G

Deseja-se

D2r XOR R = nG

Equivale agrave

D2r = nG XOR R

e

se dividimos D2r por G

desejamos objeter o resto R

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

15

CRC (Exemplo)

R = remainder[ ]D2r

G

Deseja-se

D2r XOR R = nG

Equivale agrave

D2r = nG XOR R

e

se dividimos D2r por G

desejamos objeter o resto R

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

16

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

17

Enlaces e Protocolos de Acesso

MuacuteltiploDois tipos de ldquolinksrdquo

Ponto-a-ponto (point-to-point)

PPP para acesso dial-up

Enlace ponto-a-ponto entre switch Ethernet e host

broadcast (meio compartilhado)

Ethernet tradicional

upstream HFC (Hybrid Fiber-Coaxial)LAN sem fio IEEE 80211

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

18

Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

Canal broadcast compartilhado uacutenico

2 ou mais transmissotildees simultacircneas interferecircncia

Haacute colisatildeo se noacute recebe 2 ou mais sinais ao mesmo tempo

Protocolo de acesso muacuteltiplo

Algoritmo distribuiacutedo que determina como os noacutes compartilham o

canal ie determina quando o noacute pode transmitir

Comunicaccedilatildeo sobre compartilhamento de canal deve usar o proacuteprio

canal

Natildeo haacute canal fora de banda (out-of-band) para coordenaccedilatildeo de

transmissotildees

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

19

Protocolo de Acesso

Muacuteltiplo Ideal

Canal broadcast com taxa de R bps

1 Quando 1 noacute deseja transmitir ele envia dados agrave taxa R

2 Quando M noacutes desejam transmitir cada um pode

transmitir a uma taxa meacutedia RM

3 Completamente descentralizado

Natildeo haacute noacute especial para coordenar transmissotildees

Natildeo haacute sincronizaccedilatildeo de reloacutegios slots

4 Simples

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

20

Protocolos MAC taxonomia

3 classes

Particionamento de Canal

divide canal em pequenas ldquopartesrdquo (slots de tempo

frequumlecircncia coacutedigo)

aloca ldquoparterdquo para uso exclusivo do noacute

Acesso Randocircmico

canal natildeo eacute dividido e podem ocorrer colisotildees

Precisa tratar colisotildees

ldquoTaking turnsrdquo

Cada noacute aguarda sua vez para transmitir Um passa a vez

para o outro Noacutes que desejam enviar mais experimentaratildeo

maiores atrasos

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

21

Particionamento de Canal

TDMA

TDMA time division multiple access

bull Acesso ao canal ocorre em rounds

bull Cada host recebe um slot de tamanho fixo em cada round

bull slots natildeo utilizados satildeo desperdiccedilados (ficam idles ou vazios)

bull exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt slots 256 idle (vazios)

bull TDM (Time Division Multiplexing) canal dividido em N slots de tempo

1 por usuaacuterio ineficiente com usuaacuterios com baixo ciclo de trabalho e a

altas cargas

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

22

Particionamento de Canal

FDMA

FDMA frequency division multiple access

bull Espectro do canal dividido em bandas de frequumlecircncia

bull Cada host recebe uma banda de frequumlecircncia

bull Se natildeo haacute transmissotildees na banda ela eacute desperdiccedilada

bull Exemplo 6 hosts em um LAN 134 possuem pkt bandas 256 sem uso

bull FDM (Frequency Division Multiplexing) a frequumlecircncia eacute subdividafr

equency b

ands

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

23

Protocolos de Acesso

Randocircmico

Quando noacute possui pacote para enviar

Transmite a taxa maacutexima R do canal

Natildeo haacute coordenaccedilatildeo preacutevia entre noacutes

2 ou mais noacutes transmitindo ao mesmo tempo ldquocolisatildeordquo

Protocolos MAC de acesso randocircmico especificam

Como detectar colisotildees

Como tratar colisotildees (eg atrasando retransmissotildees)

Exemplos de protocolos MAC de acesso randocircmico

slotted ALOHA

ALOHA

CSMA CSMACD CSMACA

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

24

Slotted ALOHA

Hipoacuteteses

bull frames de mesmo tamanho

bull Tempo eacute dividido em slots de

mesmo tamanho tempo para

transmitir um quadro da

camada enlace

bull Noacutes iniciam transmissatildeo

somente no iniacutecio de um slot

bull Noacutes estatildeo sincronizados

bull se 2 ou mais noacutes transmitem

em um mesmo slot todos

detecam a colisatildeo

Funcionamento

bull Quando noacute obteacutem um novo

quadro da camada enlace para

transmitir ele o transmite no

proacuteximo slot

bull Se natildeo haacute colisatildeo noacute pode

enviar novo quadro da camada

enlace no slot seguinte

bull Se haacute colisatildeo noacute retransmite

quadro da camada enlace em

cada slot subsequumlente com

probabilidade p ateacute o sucesso

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

25

Slotted ALOHA

Proacutes

bull Um uacutenico noacute ativo pode

transmitir continuamente na

taxa maacutexima do canal

bull Altamente descentralizado

somente slots precisam estar

sincronizados

bull simples

Contras

bull colisotildees desperdiacutecio de slots

bull Slots livres

bull Noacutes precisam ter a habilidade de detectar colisotildees em um tempo menor que o necessaacuterio para transmitir um pacote

bull sincronizaccedilatildeo

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

26

Eficiecircncia do Slotted Aloha

Suponha N noacutes com muitos

quadros a serem enviados

cada noacute transmite em um

slot com probabilidade p

Probabilidade de que 1 noacute

tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

Probabilidade de que

qualquer noacute tenha sucesso =

Np(1-p)N-1

Para obter a eficiecircncia

maacutexima com N noacutes

encontre p que maximiza

Np(1-p)N-1

Quando haacute muitos noacutes o

limite de Np(1-p)N-1

quando N vai a infinito

indica uma eficiecircncia

maacutexima de 1e = 37

Eficiecircncia eacute a fraccedilatildeo de slots

utilizados com sucesso a longo-prazo

quando haacute muitos noacutes cada qual com

muitos quadros a serem transmitidos

No melhor dos casos

Canal usado em transmissotildees

uacuteteis 37 do tempo

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

27

ALOHA Puro (unslotted)

unslotted Aloha mais simples sem sincronizaccedilatildeo

Quando camada enlace possui quadros para transmitir

transmite-os imediatamente

Probabilidade de colisatildeo aumenta

Quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-1t0+1]

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

28

Aloha Puro Eficiecircncia

P(sucesso de um dado noacute) = P(noacute transmitir)

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0-1t0])

P(nenhum outro noacute transmitir em [t0t0+1])

= p (1-p)N-1 (1-p)N-1

= p (1-p)2(N-1)

hellip escolhendo p oacutetimo e fazendo N -gt infinito

= 1(2e) = 18 Ainda pior

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

29

CSMA (Carrier Sense Multiple

Access)

CSMA escuta antes de transmitir

Se canal estaacute ldquoidlerdquo (vazio) transmite o quadro completo

bull Se canal estaacute ocupado adiar transmissatildeo

bull Analogia humana natildeo interrompa os outros

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

30

Colisotildees no CSMA

colisotildees ainda podem ocorrerTer atraso de propagaccedilatildeo significa

que dois noacutes podem natildeo ouvir a

transmissatildeo um do

colisatildeoTempo total de transmissatildeo do

pacote eacute desperdiccedilado

Distribuiccedilatildeo espacial dos noacutes

notadistacircncia amp atraso de propagaccedilatildeo satildeo

importantes para se determinar a

probabilidade de colisatildeo

espaccedilo

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

31

CSMACD (Collision Detection)

CSMACD escuta portadora adiamento como no CSMA

colisotildees detectadas em um intervalo curto de tempo

Transmissotildees colidindo satildeo abortadas reduzindo o desperdiacutecio

do canal

Detecccedilatildeo de colisatildeo

Faacutecil em LANs cabeadas mede forccedila de sinais compara forccedila

do sinal transmitido com o recebido

Difiacutecil em LANs sem fio receptor desliga enquanto se transmite

Soacute receptor sabe se houve colisatildeo ou natildeo

Analogia humana uma pessoa educada com grande habilidade de

conversaccedilatildeo

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

32

CSMACD (collision detection)

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

33

Protocolo MAC

ldquoTaking TurnsrdquoProtocolos MAC de Particionamento de Canal

Compartilhamento eficiente do canal e justo com alta carga

Ineficiente com baixa carga atraso de acesso ao canal 1N da

banda alocada mesmo se somente 1 noacute estiver ativo

Protocolos MAC de Acesso Randocircmico

Eficiente com baixa carga um uacutenico noacute pode usar toda a

capacidade do canal

Alta carga sobrecarga (overhead) de colisotildees

Protocolos ldquotaking turnsrdquo

Olham para o melhor de ambos os mundos

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

34

Polling

Noacute mestre ldquoconvidardquo noacutes

escravos a transmitirem e

convite segue uma ordem

ou sequumlecircncia

fraquezas

polling overhead

latecircncia

Ponto uacutenico de falha

(mestre)

Passagem de Token

Token de controle passado de um

noacute a outro sequencialmente

Mensagem token

fraquezas

token overhead

latecircncia

ponto uacutenico de falha (token)

Protocolo MAC

ldquoTaking Turnsrdquo

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

35

Resumo dos protocolos

MAC

O que fazer com um meio compartilhado

Particionamento de canal no tempo na frequumlecircncia ou por

coacutedigo

Time Division Frequency Division

Particonamento Randocircmico (dinacircmico)

ALOHA S-ALOHA CSMA CSMACD

Escuta de portadora faacutecil com algumas tecnologias

(cabeadas) difiacutecil em outras (sem fio)

CSMACD usado no Ethernet

CSMACA usado no IEEE 80211 (Wi-Fi)

Taking Turns

polling feito por um coordenador passagem de token

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

36

Tecnologias de Redes

Locais (LAN)

O que vimos sobre a camada enlace

serviccedilos detecccedilatildeocorreccedilatildeo de erro

acesso muacuteltiplo

A seguir tecnologias de LANs

endereccedilamento

Ethernet

hubs switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

37

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

38

Endereccedilos MAC e

Protocolo ARP

Endereccedilos IP de 32 bits

Endereccedilo da camada de rede

Usado para enviar datagrama para a subrede IP de destino

Endereccedilo MAC (ou LAN ou fiacutesico ou Ethernet)

Usado para nos quadros enviados de uma interface a outra

fisicamente conectada (mesma rede)

Endereccedilo MAC de 48 bits (para a maiorias das LANs)

gravado na memoacuteria ROM da placa de rede

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

39

Endereccedilos em LANs

e Protocolo ARP

Cada placa de rede (ou adaptador) na LAN possui um

endereccedilo MAC uacutenico

Endereccedilo broadcast =

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 ou

Sem fio)

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

40

Mais sobre endereccedilos MAC

alocaccedilatildeo de endereccedilos MAC administrada pelo IEEE

Fabricantes compram faixa de endereccedilos MAC (para garantir que

endereccedilos natildeo sejam repetidos)

analogia

(a) endereccedilo MAC como o CPF (compreendido localmente no Brasil)

(b) endereccedilo IP como endereccedilo postal (compreendido mundialmente)

Endereccedilo MAC plano portabilidade

Pode mover placa de rede de uma LAN para outra

Endereccedilos IP hieraacuterquicos natildeo satildeo portaacuteveis

depende da subrede IP a qual o noacute estaacute conectado

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

41

ARP Address Resolution

Protocol

Cada noacute IP (Host Roteador)

na LAN possui uma tabela

ARP

Tabela ARP mapeamento de

endereccedilos para alguns noacutes da

LAN

lt end IP end MAC TTLgt

TTL (Time To Live) tempo

apoacutes o qual o mapeamento

de endereccedilo seraacute descartado

(tipicamente 20 min)

Q como determinar o endereccedilo

MAC de B conhecendo o endereccedilo

IP dele

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

237196723

237196778

237196714

237196788

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

42

Protocolo ARP na mesma

LANA deseja enviar datagrama para

B e o endereccedilo MAC de B natildeo

estaacute na tabela ARP de A

A envia em broadcast um pkt de

query ARP contendo o IP de B

Endereccedilo MAC de destino =

FF-FF-FF-FF-FF-FF

Todas as maacutequinas na LAN

recebem o query ARP

B recebe o pacote ARP

reponde A com o seu (do B)

endereccedilo MAC

Quadro eacute enviado para o

endereccedilo MAC de A (unicast)

ldquoArdquo salva o mapeamento IP-MAC

em sua tabela ARP ateacute expiraccedilatildeo

soft state informaccedilatildeo que

expira a menos que seja

renovada periodicamente

ARP eacute ldquoplug-and-playrdquo

Noacutes criam suas proacuteprias

tabelas ARP sem intervenccedilatildeo

de administradores de rede

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

43

Roteamento para outra LAN

Passo-a-passo enviar datagrama de A para B via R

assuma que A conhece o IP de B

bull 2 tabelas ARP no roteador R 1 para cada LAN IP

A

RB

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

44

A cria datagrama com endereccedilo IP fonte de A e endereccedilo IP de destino de B

A usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de R cujo IP eacute 111111111110

A cria quadro da camada de enlace com endereccedilo MAC de R setado como

endereccedilo de destino quadro encapsula o datagrama a ser enviado de A para B

O adaptador de A envia o quadro

O adapator de R recebe o quadro

R desencapsula o datagrama IP do quadro Ethernet e verifica que o endereccedilo

de destino eacute para B

R usa ARP para descobrir o endereccedilo MAC de B

R cria quadro contendo o datagrama IP de A para B e o envia a B

A

RB

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

45

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

46

Ethernet

Tecnologia ldquodominanterdquo para LANs cabeadas

bull barato - R$ 20 para 100Mbs

bull Primeira tecnologia de rede local amplamente utilizada

bull Mais simples barata que outras LANs (token LANs e ATM)

bull oferece taxas entre 10 Mbps ndash 10 Gbps

Esboccedilo do Ethernet

proposto por Robert

Metcalfe

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

47

Topologia Estrela

Topologia em barramento ateacute meados dos anos 90

Atualmente topologia estrela prevalece

Escolhas para conexatildeo hub ou switch (mais em

breve)

hub ou

switch

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

48

Estrutura do Quadro

Ethernet

Adaptador emissor encapsula datagrama IP (ou outro

pacote de protocolo da camada de rede) no quadro

Ethernet

Preamble

bull 7 bytes com padratildeo 10101010 seguido de 1 byte

com padratildeo 10101011

bull usado para sincronizar reloacutegios do receptor e do

emissor

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

49

5 DataLink Layer

Estrutura do Quadro

Ethernet (mais)

Addresses 6 bytes

Se adaptador recebe quadro com seu endereccedilo fiacutesico de destino ou com

endereccedilo broadcast (eg pacote ARP) ele passa dados no quadro para o

protocolo da camada de redel

Caso contraacuterio adaptador descarta quadro

Type indica o protocolo da camada superior a ser usado (IP na maioria das

vezes mas outros podem ser suportados como IPX da Novell e o

AppleTalk)

CRC verificado no receptor se erro eacute detectado o quadro eacute descartado

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

50

Serviccedilo natildeo-confiaacutevel

e sem conexatildeo

Sem conexatildeo Natildeo haacute handshaking entre o adaptador emissor e

receptor

Natildeo-confiaacutevel adaptador receptor natildeo envia acks ou nacks ao

adaptador emissor

Fluxo de datagramas passados para a camada de rede pode ter

lacunas

Lacunas seratildeo preenchidas se aplicaccedilatildeo usa TCP como protocolo de

transporte

Caso contraacuterio a aplicaccedilatildeo veraacute as lacunas

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

51

Ethernet usa CSMACD

Sem slots

adaptador natildeo transmite se ele

escuta outro adaptador

transmitindo ou seja carrier

sense (escuta da portadora)

Adaptadores transmissores

abortam quando escutam outro

adaptador transmitindo ao

mesmo tempo ou seja collision

detection (CD)

Antes de tentar uma

retransmissatildeo o adaptador

espera um tempo

randocircmico ou seja acesso

randocircmico

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

52

Algoritmo CSMACD

do Ethernet

1 Adaptador recebe datagrama da

camada de rede amp cria quadro

2 Se adaptador escuta canal vazio

ele inicia a transmissatildeo do

quadro Se ele escuta o canal

ocupado aguarda ateacute o canal

ficar vazio e entatildeo transmite o

quadro

3 Se adaptador transmite quadro

completo sem detectar outra

transmissatildeo o adaptador

terminou de tratar o quadro

4 Se adaptador detecta alguma

outra transmissatildeo enquanto

estiver transmitindo ele aborta a

sua transmissatildeo e envia no canal

um sinal de ldquojamrdquo

5 Apoacutes abortar adaptador comeccedila

backoff exponencial apoacutes a m-

eacutesima colisatildeo o adaptador

escolhe K randomicamente no

intervalo 012hellip2m-1

Adaptador espera K512 tempos

de bit e retorna ao ldquoPasso 2rdquo

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

53

Mais sobre o CSMACD

do Ethernet

Sinal de ldquoJamrdquo para tercerteza de

que todos os outros

adaptadores estatildeo cientes da

colisatildeo 48 bits

Tempo de Bit 1 micros para Ethernet

10 Mbps

para K=1023 tempo de espera

eacute de aprox 50 ms

Backoff Exponencial

Objetivo adaptar tentativas de

retransmissatildeo agrave carga atual

estimada

Alta carga espera randocircmica

seraacute longa

Primeira colisatildeo escolhe K no

intervalo 01 atraso eacute K 512

tempos de transmissatildeo de bit

Apoacutes segunda colisatildeo escolhe

K no intervalo 0123hellip

Apoacutes dez colisotildees escolhe K

no intervalo 01234hellip1023

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

54

Eficiecircncia do CSMACD

Tprop = tempo maacuteximo de propagaccedilatildeo entre 2 noacutes na

LAN

ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho

maacuteximo

Eficiecircncia tende a 1 quando Tprop tende a 0

Eficiecircncia tende a 1 quando ttrans tende a infinito

Muito melhor que ALOHA sendo ainda

descentralizado simples e barato

transprop tt 51

1efficiency

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

55

10BaseT e 100BaseT

Taxa de 10 e 100 Mbps ldquofast ethernetrdquo ndash 100 Mbps

T deriva de Par Tranccedilado

Noacutes se conectam ao hub ldquotopologia estrelardquo

distacircncia maacutexima de 100 m entre noacutes e hub

Par tranccedilado

hub

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

56

HubsHubs satildeo essencialmente repetidores que atuam na camada fiacutesica

bits oriundos de um link satildeo transmitidos para todos os

outros links

agrave mesma taxa

sem buferizaccedilatildeo de quadros

Natildeo haacute CSMACD no hub adaptadores detectam colisotildees

Par tranccedilado

hub

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

57

Codificaccedilatildeo Manchester

Usado no10BaseT

Cada bit possui uma transiccedilatildeo

Permite que reloacutegios em noacutes emissores e receptores sejam

sincronizados entre si

Sem necessidade de reloacutegio global entre noacutes Basta detectar

transiccedilotildees

Mas isto pertence agrave camada fiacutesica

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

58

Gbit Ethernet

usa o formato padratildeo do Ethernet

Permite links ponto-a-ponto e canais broadcast

compartilhados

No modo compartilhado CSMACD eacute utilizado

distacircncias curtas entre noacutes eacute necessaacuteria para maior

eficiecircncia

usa hubs chamados aqui de ldquoBuffered Distributorsrdquo

Full-Duplex a 1 Gbps para links ponto-a-ponto

Jaacute temos 10 Gbps

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

59

Camada Enlace

51 Introduccedilatildeo e serviccedilos

52 Detecccedilatildeo e correccedilatildeo

de erro

53 Protocolos de Acesso

Muacuteltiplo

54 Endereccedilamento na

camada enlace

55 Ethernet

56 Hubs e switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

60

Interconexatildeo usando hubs

Backbone hub interconecta segmentos da LAN

Estende a distacircncia maacutexima entre noacutes

A colisatildeo em um segmento se torna uma colisatildeo em todos os

segmentos

Natildeo pode interconectar 10BaseT amp 100BaseT

hub hubhub

hub

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

61

Switch

Dispositivo da camada enlace

Armazena e encaminha quadros Ethernet

examina cabeccedilalho dos quadros e os encaminha seletivamente

com base no endereccedilo MAC de destino

Quando quadro deve ser enviado no segmento da rede usa

CSMACD para acessar o segmento

transparente

hosts natildeo estatildeo cientes da presenccedila de switches

plug-and-play self-learning

switches natildeo precisam ser configurados

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

62

Encaminhamento (Forwarding)

bull Como determinar sobre qual segmento da LAN se deve

encaminhar um quadro

bull Parece um problema de roteamento hellip

hub hubhub

switch1

2 3

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

63

Self-learning

Um switch possui uma tabela de encaminhamento

Cada entrada na tabela eacute da forma

(End MAC Interface Timestamp)

Entradas expiradas na tabela satildeo descartadas (TTL pode ser de

60 min)

Switch aprende que hosts podem ser alcanccedilados atraveacutes de quais

interfaces

Quando quadro eacute recebido switch ldquoaprenderdquo a localizaccedilatildeo do

emissor segmento de LAN entrante

Armazena par emissorlocalizaccedilatildeo na tabela de encaminhamento

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

64

FilteringForwarding

Quando switch recebe um quadro

Procura endereccedilo MAC de destino na tabela

if entrada encontrada para este destino

then

if destino estaacute no segmento pelo qual quadro chegou

then descartar quadro

else encaminhar quadro para a interface indicada

pelo mapeamento na tabela

else inundar (flood) Encaminhar para todas as interfaces exceto

pela qual o quadro chegou

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

65

Switch (exemplo)

Suponha que C envie quadro para D

Switch recebe quadro oriundo de C

C eacute alcanccedilaacutevel pela interface 1

Como D natildeo estaacute na tabela o switch encaminha o quadro para as

interfaces 2 e 3

D recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

1

1

2

3

1

2 3

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

66

Switch (exemplo)

Suponha que D responda com um quadro para C

Switch recebe quadro de D

D eacute alcanccedilaacutevel pela interface 2

Como C estaacute na tabela o switch encaminha o quadro somente

para a interface 1

C recebe quadro

hub hub hub

switch

A

B CD

E

FG H

I

endereccedilo interface

A

B

E

G

C

1

1

2

3

1

1

2 3

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

67

Switch isolamento de traacutefego

Instalaccedilatildeo de switch quebra subrede em segmentos de LAN

switch filtra pacotes

Quadros de um mesmo segmento da LAN natildeo satildeo encaminhados para outros segmentos

segmentos se tornam domiacutenios separados de colisatildeo

hub hubhub

switch

Domiacutenio de colisatildeo

Domiacutenio de colisatildeo

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

68

Switches acesso dedicado

Switch com diversas

interfaces

Hosts possuem conexatildeo

direta ao switch

Sem colisotildees full-duplex

Switching A-para-Arsquo e B-para-

Brsquo simultaneamente sem

colisotildees

switch

A

Arsquo

B

Brsquo

C

Crsquo

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

69

Mais sobre Switches

cut-through switching quadro encaminhado da porta de

entrada para a porta de saiacuteda antes da recepccedilatildeo do

quadro completo (precisa ter recebido o cabeccedilalho para saber o destino)

reduccedilatildeo suave no atraso

combinaccedilatildeo de interfaces compartilhadasdedicadas de

101001000 Mbps

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

70

Rede Institucional

hub hubhub

switch

para a rede externa

ou Internet

roteador

Subrede IP

Servidor de email

Servidor web

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

71

Switches x Roteadores

Ambos satildeo dispositivos store-and-forward

roteadores dispositivos da camada de rede (examinam cabeccedilalhos

da camada de rede)

switches satildeo dispositivos da camada enlace

roteadores mentecircm tabelas de roteamento implementam

algoritmos de roteamento

switches mantecircm tabelas de encaminhamento implementam

filtragem algoritmos de ldquoself-learnigrdquo

switch roteador

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

72

Sumaacuterio de comparaccedilotildees

hubs roteadores switches

isolamento

de traacutefego

natildeo sim sim

plug amp play sim natildeo sim

Roteamento

oacutetimo

natildeo sim natildeo

Cut

through

sim natildeo sim

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches

73

Parte 5 Sumaacuterio

princiacutepios por traacutes dos serviccedilos da camada enlace

Detecccedilatildeo e correccedilatildeo de erro

Compartilhamento de canal broadcast acesso muacuteltiplo

Endereccedilamento na camada enlace

Instanciaccedilatildeo e implementaccedilatildeo de tecnologias de rede

Ethernet

LANS com switches