Sub-camada de Acesso ao Meio Camada de Aplicação Camada de Transporte Camada de Rede Enlace de Dados Acesso ao Meio Camada Física Meio Físico
Camada de Enlace de Dados
• Sub-camada de Acesso ao Meio – parte da camada de enlace de dados responsável pelo controle de acesso ao canal de comunicação • difusão, compartilhado ou de acesso aleatório • protocolo de acesso: define quem terá direito a utilizar o canal de comunicação
– presente nas redes locais – Problema: • como alocar um canal de difusão único para vários usuários?
– Solução: Algoritmos de alocação • alocação estática • alocação dinâmica
– MDF é a forma tradicional quando: • existe um número pequeno de usuários e tráfego de cada usuário é pesado
– Em redes de computadores • número de estações é grande e variável com o tempo • tráfego é do tipo rajada
• Premissas da Alocação Dinâmica – Estações • N estações independentes que geram quadros a serem transmitidos • estação fica bloqueada até terminar a transmissão do quadro • equivalentes (HW), podendo ter prioridades (SW)
– Canal de Comunicação único • todas as estações compartilham o canal para TX e RX
– Colisões • transmissão simultânea de 2 ou mais quadros por estações ≠s • estações são capazes de detectar colisões • quadros em colisão devem ser retransmitidos
– Política de transmissão de quadros • a qualquer instante (tempo contínuo) • em momentos pré-determinados (tempo discreto)
– Detecção de portadora • sem detecção • com detecção
– Sistema de contenção • sistema no qual vários usuários compartilham um canal comum de tal forma que pode levar a conflitos.
• Protocolos de acesso múltiplo – Aloha • Princípio básico: transmita na hora que tiver dados a enviar • haverá colisões - retransmissões após tempo aleatório
– Slotted Aloha • Tempo discretizado: – dividir o tempo em intervalos, onde cada intervalo corresponde a um quadro. – transmissões só podem ocorrer no início dos intervalos.
• Uma estação é responsável pelo sincronismo
– CSMA (Carrier Sense Multiplo Access) • • • • • •
faz a detecção da portadora (alguém transmitindo?) estação “escuta” o canal antes de transmitir transmite quando o canal está livre se ocorrer colisão, espera um tempo aleatório e repete o processo tempo de propagação do meio influencia o desempenho do protocolo 3 tipos básicos – CSMA 1-persistente, CSMA não-persistente e CSMA p-persistente
– CSMA 1-persistente • se o canal está ocupado, espera até ficar livre
– CSMA não persistente • quando o canal está ocupado, dá um atraso aleatório e tenta de novo
– CSMA p-persistente • escuta canal livre: transmite c/ probabilidade p ou dá atraso aleatório c/ probabilidade q = (1-p), e repete o processo
– CSMA/CD • estação detecta a colisão e interrompe a transmissão do quadro mais cedo • Tempo de espera para saber se houve colisão? – 2 vezes o tempo de propagação – após este tempo não ocorrem colisões
• padrão adotado em redes locais Ethernet (IEEE 802.3)
– Protocolos de acesso para redes sem fio • ambiente diferente – computadores portáteis com comunicação sem fio com estações base – taxa típica de 1-2 Mbps – estações base ligadas entre si por uma rede de alta velocidade
• CSMA não funciona – problema da estação escondida – problema da estação exposta
• MACA (Multiple Accesss with Collision Avoidance) – TX avisa RX que pretende transmitir e espera resposta de RX – estações na vizinhança de RX e TX tomam conhecimento da futura transmissão e não transmitem de forma a evitar colisões – MACAW: versão melhorada do protocolo MACA
• Padrões IEEE para redes locais e metropolitanas – IEEE 802 • conjunto de normas para redes locais e metropolitanas • Adotado por ANSI, ISO e NIST • É dividido em partes que são publicados como livros separados – IEEE 802.1: introdução ao conjunto de padrões primitivas e interfaces – IEEE 802.2: Logical Link Control, descreve a parte superior de camada de enlace, comum a todos os padrões – IEEE 802.3: Rede em barramento CSMA/CD – IEEE 802.4: Rede em barramento com passagem de ficha – IEEE 802.5: Rede em anel com passagem de ficha – IEEE 802.6: Rede metropolitana (DQDB) – IEEE 802.11: Rede Local sem fio (Wireless LAN) – IEEE 802.16: Rede de Banda Larga sem fio (Broadband Wireless)
• IEEE 802.3 – padrão para rede local com CSMA/CD 1-persistente – baseado no padrão Ethernet proposto pela Xerox – Diferentes tipos de cabeamento • atualmente usa-se par trançado e fibra ótica
– Codificação Manchester • intervalo de duração do bit é dividido em 2 partes • bit 0: baixo/alto; bit 1: alto/baixo (sempre há transição no meio do intervalo)
– Quadro IEEE 802.3 (fig. 4-21) • tamanho mínimo = 64 bytes (campo de PAD) • dados: tamanho máximo = 1500 bytes
– Colisão • tempo dividido em intervalos de 51,2 µs • algoritmo “binary exponential backoff” número de colisões 1 2 3 número de intervalos de espera 0..1 0..3 0..7
– Desempenho • colisões x número de usuários → saturação
N 0..2N - 1
– Redes Comutadas • comutador com várias interfaces e capacidade de entender o endereçamento e backplane de alta velocidade (1 Gbps) – tipicamente de 4 a 32 cartões com 1 a 8 conectores por cartão
• permite operação full-duplex • reduz o número de colisões
– Desempenho em Redes Ethernet
• IEEE 802.3u (Fast Ethernet) – Opera a 100 Mbps, compatível com Ethernet – Slot 10 vezes menor do que no Ethernet • Como é possível detectar colisões durante a transmissão? • Topologia estrela com hub ou switch – cabo de 100 m (máximo) – diâmetro da rede reduzido por um fator de 10.
• IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet) – Opera a 1000 Mbps, compatível com Ethernet – Slot 100 vezes menor do que no Ethernet • Como é possível detectar colisões durante a transmissão? • Topologia ponto-a-ponto
– Permite o uso de cabo de par trançado (100m – máximo) • Não usa codificação Manchester – frequência da ordem de Ghz é muito alta para o par metálico • Usa 5 níveis de tensão e os 4 pares – 00, 01, 10, 11, sinalização
• Frequência de 125 Mhz
• IEEE 802.4 – Rede em barramento com acesso por passagem de ficha (Token Bus) – Objetivos • ter uma rede com comportamento determinístico (anel lógico) • topologia apropriada para ambientes industriais (barramento)
– Funcionamento • Anel lógico estabelecido c/ base nos endereços das estações – estação sucessora e predecessora
• Ficha: mensagem especial controla o direito de transmissão – recebe ficha da predecessora (transmite) passa a ficha para sucessora
• Protocolo define regras para entrada e saída do anel lógico • Implementação complicada: muitas variáveis e temporizadores • permite a definição de prioridades diferentes para dados
• IEEE 802.5 – – – – –
Rede em anel com acesso por passagem de ficha (Token Ring) Anel: conjunto de segmentos ponto a ponto padrão proposto pela IBM Ficha circula pelo anel quando não há transmissões Transmissão • • • •
estação retira a ficha do anel coloca seu quadro de dados restitui a ficha para o anel uma única estação transmite de cada vez – anel de 1Mbps com 1 Km de comprimento e velocidade de propagação de 2/3 c, só pode conter 5 bits ao mesmo tempo.
– Remoção dos quadros de dados • feita pela estação transmissora – pode comparar bits recebidos com os transmitidos – confirmação pode ser feita no esquema de carona
– arquitetura não impõe um tamanho máximo para o quadro • limitação é feita pelo tempo máximo de retenção da ficha
– suporta bem a variação de carga na rede – taxas: 1, 4 e 16 Mbps – Codificação Manchester Diferencial • sempre há transição no meio do intervalo • bit 0: transição no início do intervalo; bit 1: sem transição no início do intervalo
• IEEE 802.6 – DQDB (Distributed Queue Dual Bus) – Padrão para redes metropolitanas – Topologia com barramento duplo, unidirecionais • taxa de 44,736 Mbps e comprimento de até 160 Km • cada barramento possui um head-end que transmite continuamente uma célula de 53 bytes que sai na outra extremidade do barramento • cada célula possui um campo de 44 bytes de dados • existem dois bits usados para controle da transmissão – busy - indica se a célula está com seu campo de dados ocupado – request - é setado quando uma estação deseja transmitir
– Método de acesso por reserva de slot de transmissão • CSMA/CD não funcionaria
• IEEE 802.11 – Rede local sem fio – Objetivo: oferecer mobilidade – Diferentes camadas físicas • 1, 11 e 54 Mbps
– Permite o funcionamento com ou sem estação base – Ambiente não permite o uso de CSMA • Compartilhamento do meio é parcial • Problema da estação exposta e estação escondida
– Protocolo de acesso similar ao MACA (Multiple Access with Colision Avoidance)
– Meio sem fio possui alta taxa de erro • Probabilidade de erro depende do tamanho do quadro
– Sinalização para utilização com e/ou sem estação base
– Quadro IEEE 802.11 • Endereços para estação móvel e estação base
• IEEE 802.16 – Rede de banda larga sem fio – Objetivo: prover links de alta velocidade ponto-a-ponto – Diferentes camadas física permitindo taxas diferentes • 50, 100 ou 150 Mbps
– Banda passante pode ser negociada • Duplexação – multiplexação entre os dois sentidos • Taxas diferentes nos dois sentidos
– Quadro IEEE 802.16 • Permite criptografia na camada de enlace • CRC para dados é opcional • Quadros de sinalização para negociação de banda passante
• Redes Bluetooth (IEEE 802.15) – Rede de pequeno alcance • Interconexão de periféricos (Slave) a um controlador (Master)
– Tecnologia usando infravermelho ou micro-ondas (2,4 GHz)
– Overhead muito grande
• IEEE 802.2 – LLC (Logical Link Control) - provê as funções de controle de erro e controle de fluxo – esconde as diferenças dos protocolos MAC padrões 802, oferecendo formato único e mesma interface para a camada de rede – diferentes formatos de quadros de dados e de controle são utilizados em função do tipo de serviço
• Pontes (Bridges) – Função: fazer conexão de LANs com padrões diferentes – pontes operam na camada de enlace • não tratam pacotes da camada de rede
– Utilização • interconexão entre LANs de departamentos que foram projetadas independentemente • fazer interconexão de LANs separadas por questões físicas • fazer interconexão de LANs que foram divididas por questões de carga, desempenho, etc. • funcionar como dispositivo de segurança, filtrando tráfego sensível entre estações
– Pontes do padrão 802.x para o padrão 802.y • formato do quadro, velocidade da rede e tamanho do quadro.
• Pontes (Bridges)
• Redes Locais Virtuais (VLAN) – Permite a organização lógica de máquinas em uma mesma rede local ou em redes locais diferentes – Os switches devem ser capazes de identificar a que redes lógicas as máquinas nele conectadas pertencem
– Permite o uso com redes legadas sem capacidade de VLANs
– Extensão do formato IEEE 802.3 (IEEE802.1Q)