Redes de Computadores 0010101010101010010101010101010 0010101010101010010101010101010 Camada de Enlace

Redes de Computadores 0010101010101010010101010101010 0010101010101010010101010101010 Camada de Enlace de dados Tecnologias de LAN - Ethernet 1

Tecnologias de LAN Camada de enlace até agora: Serviços, detecção de erros/correção, acesso múltiplo A seguir: tecnologias de redes locais (LAN) Endereçamento Ethernet hubs, pontes, switches PPP 5 -2

A camada de enlace Introdução e serviços Detecção e correção de erros Protocolos de múltiplo acesso Endereçamento da camada de enlace Ethernet Hubs e switches PPP Virtualização de enlace: ATM e MPLS 5 -3

Endereços de LAN e ARP Endereços IP de 32 -bit: Endereços da camada de rede Usados para levar o datagrama até a rede de destino (lembre-se da definição de rede IP) Endereço de LAN (ou MAC ou físico): Usado para levar o datagrama de uma interface física a outra fisicamente conectada com a primeira (isto é, na mesma rede) Endereços MAC com 48 bits (na maioria das LANs) gravados na memória fixa (ROM) do adaptador de rede 5 -4

Endereços de LAN (mais) A alocação de endereços MAC é administrada pelo IEEE O fabricante compra porções do espaço de endereço MAC (para assegurar a unicidade) Analogia: (a) endereço MAC: semelhante ao número do RG (b) endereço IP: semelhante a um endereço postal Endereçamento MAC é “flat” => portabilidade É possível mover uma placa de LAN de uma rede para outra sem reconfiguração de endereço MAC Endereçamento IP “hierárquico” => NÃO portável Depende da rede na qual se está ligado 5 -5

ARP: Address Resolution Protocol (Protocolo de resolução de endereços) Questão: como determinar o endereço MAC de B dado o endereço IP de B? Cada nó IP (hospedeiro, roteador) numa LAN tem um módulo e uma tabela ARP Tabela ARP: mapeamento de endereços IP/MAC para alguns nós da LAN < endereço IP; endereço MAC; TTL> < IP address; MAC address; TTL> TTL (Time To Live): tempo depois do qual o mapeamento de endereços será esquecido (tipicamente 20 min) 5 -6

Protocolo ARP: Mesma LAN (network) A que enviar um datagrama para B, e o endereço MAS de B não está na tabela ARP de A A faz broadcast de pacote de consulta ARB, contendo o endereço IP de B end. MAC de destino = FF-FF-FF-FF todas as máquinas na LAN recebem a consulta ARP B recebe o pacote ARP, responde para A com seu endereço MAC (de B). Quadro enviado para o end. MAC de A (unicast) A faz um cache (salva) o par de endereços IP para MAC em sua tabela ARP até que a informação se torne antiga (expirada) soft state: informação que expira (é descartada) sem atualização ARP é “plug-and-play”: Nós criam suas tabelas ARP sem intervenção do administrador da rede 5 -7

Roteamento para outra LAN objetivo: envia datagrama de A para B via R supõe que A conhece o endereço IP de B • Duas tabelas ARP no roteador R, um para cada rede IP (LAN) 5 -8

Roteamento para outra LAN A cria o pacote IP com origem A, destino B A usa ARP para obter o endereço de camada física de R correspondente ao endereço IP 111. 110 A cria um quadro Ethernet com o endereço físico de R como destino, o quadro Ethernet contém o datagrama IP de A para B A camada de enlace de A envia o quadro. Ethernet A camada de enlace de R recebe o quadro Ethernet R remove o datagrama IP do quadro Ethernet, verifica que ele se destina a B R usa ARP para obter o endereço físico de B R cria quadro contendo um datagrama de A para B e envia para B 5 -9

Endereço MAC – Media Acess Control • Cada estação em uma rede Ethernet possui seu próprio adaptador de rede ou Network Interface Card (NIC). • O NIC é encaixado dentro da estação e fornece à estação um endereço físico (MAC Adress) de 6 bytes. 06 -01 -02 -01 -2 C-4 B 10

Endereçamento MAC Address ereço físico único associado a placa de r Endereço físico único associado a placa de rede como identificador universal da estação em uma LAN

Endereçamento Como descobrir o MAC ADRRESS de sua estação? □ □ Ipconfig /all (Windows) Ifconfig (Linux) Como ver os MAC ADDRESS das estações? C: Documents and Settingsromildo>arp –a Interface: 192. 168. 100. 157 --- 0 x 4 Endereço IP 192. 168. 100. 160 192. 168. 100. 191 Endereço físico 00 -02 -55 -5 d-79 -af 00 -02 -55 -5 d-0 a-f 2 00 -20 -18 -8 d-79 -10 Tipo dinâmico É possível alterar o endereço físico de uma estação?

Endereçamento Como garantir que o MAC é único? □ □ □ A alocação de MAC Address é administrada pelo IEEE O fabricante compra porções do espaço de endereço MAC (para assegurar a unicidade) 00 -00 -0 C (Cisco) 00 -01 -02 (3 COM) 00 -01 -41 (Cisco) 00 -E 0 -4 C (Realtek) Analogia (Livro de Kurose): (a) endereço MAC: semelhante ao número do RG (b) endereço IP: semelhante a um endereço postal

ARP – Protocolo de Resolução de Endereços • Descobre o endereço físico a partir do endereço lógico. Quando um host ou um roteador enviam um datagrama IP a outro host ou roteador o endereço lógico do receptor é conhecido. Pacote ARP Request Endereços físico e lógico do TX Endereço lógico do RX Transmissão em Broadcast RX reconhece seu IP O RX envia pacote de resposta ARPReply com o endereço físico 14

A camada de enlace Introdução e serviços Detecção e correção de erros Protocolos de múltiplo acesso Endereçamento da camada de enlace Ethernet Hubs e switches PPP Virtualização de enlace: ATM e MPLS 5 - 15

Agenda Tecnologias de LANs Porque Ethernet Origem Frame Ethernet Padrão Fast Ethernet Gigabit Ethernet

Tecnologias para LANs

Por que Ethernet? Mais utilizada atualmente Preço Performance Escalabilidade

Ethernet Tecnologia de rede local “dominante” : Barato R$20 por 100 Mbps! Primeira tecnologia de LAN largamente usada Mais simples e mais barata que LANs com token e ATM Velocidade crescente: 10 Mbps – 10 Gbps 5 - 19

Origem

Origem 1973, quando Robert Metcalfe escreveu um memorando para os seus chefes contando sobre o potencial dessa tecnologia em redes locais 1976, Metcalfe e David Boggs (seu assistente) publicaram um artigo, Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks 1979, Metcalfe deixou a Xerox e criou a 3 Com 1980, Convenceu DEC, Intel, e Xerox a trabalhar juntas para promover a Ethernet como um padrão

Origem esboço da Ethernet por Bob Metcalf

Topologia em estrela Topologia de bus popular em meados anos 90 Agora a topologia em estrela prevalece Opções de conexão: hub ou switch (mais adiante) 5 - 23

Estrutura do quadro Ethernet Adaptador do transmissor encapsula o datagrama IP (ou outro pacote de protocolo da camada de rede) num quadro Ethernet 5 - 24

Frame Preâmbulo: 7 bytes com padrão 1010 seguido por um byte com padrão 10101011 Usado para sincronizar as taxas de relógio do transmissor e do receptor Tem como função criar um padrão de 0 s e 1 s para a sincronização. Em algumas literaturas, não é considerado parte do frame Ethernet pois é adiconado ao frame na camada física. SFD (Start Frame Delimiter) - Sinaliza o início do Frame (10101011) □

Frame □ Endereços: 6 bytes Se o adaptador recebe um quadro com endereço de destino coincidente, ou com endereço de broadcast (ex. , pacote ARP), ele passa o dado no quadro para o protocolo da camada de rede

Frame □ Tipo: indica o protocolo da camada superior; geralmente é o protocolo IP, mas outros podem ser suportados, tais como Novell IPX e Apple. Talk)

Frame □ Payload - Transporta dados das camadas superiores encapsulados (entre 46 e 1500 bytes) CRC - Transporta a detecção de erro baseado no CRC -32; verificado no receptor; se um erro é detectado, o quadro é simplesmente descartado

Frame

Serviço não confiável, sem conexão Sem conexão: não ocorre conexão entre o adaptador transmissor e o receptor. Não confiável: adaptador receptor não envia ACKs ou nacks para o adaptador transmissor O fluxo de datagramas que passa para a camada de rede pode deixar lacunas Lacunas serão preenchidas se a aplicação estiver usando TCP. Caso contrário, a aplicação verá as lacunas 5 - 30

Hubs são essencialmente repetidores de camada física: Bits que chegam de um enlace se propagam para todos os outros enlaces Com a mesma taxa Não possuem armazenagem de quadros Não há CSMA/CD no hub: adaptadores detectam colisões Provê funcionalidade de gerenciamento de rede. 5 - 31

Evolução

Ethernet Padrão (10 Mbps) • Padrão de camada física e camada de enlace. • 10 Mbps, com quadros de 64 e 1518 bytes. • O endereçamento feito através do MAC 33

Ethernet Padrão

Codificação Manchester Cada bit possui uma transição Permite que os relógios nós de transmissão e de recepção possam sincronizar um com o outro Não é necessário relógio global centralizado entre os nós! Ei, isso é coisa de camada física! 5 - 35

Ethernet Padrão 10 Base 2

Ethernet Padrão 10 Base. T

Ethernet Padrão 10 Base. F

Ethernet Padrão 10 BASE 2 (Thin. Net ou Cheapernet) -- Um cabo coaxial de 50 ohm conecta as máquinas, cada qual usando um adaptador T para conectar seu NIC. Requer terminadores nos finais. Por muitos anos esse foi o padrão dominante de ethernet de 10 Mbit/s. 10 BASE 5 (também chamado Thicknet) -- Especificação Ethernet de banda básica de 10 Mbps, que usa o padrão (grosso) de cabo coaxial de banda de base de 50 ohms. Faz parte da especificação de camada física de banda de base IEEE 802. 3, tem um limite de distância de 500 metros por segmento.

Ethernet Padrão 10 BASE-T -- Opera com 4 fios (dois conjuntos de par trançado) num cabo CAT-3 ou CAT 5. Um hub ou switch fica no meio e tem uma porta para cada nó da rede. Essa é também a configuração usada para a ethernet 100 BASE -T e a Gigabit. 10 BASE-F -- um termo genérico para a nova família de padrões de ethernet de 10 Mbit/s: 10 BASE-FL, 10 BASE-FB e 10 BASE-FP. Desses, só o 10 BASE-FL está em uso comum (todos utilizando a fibra óptica como meio físico). 10 BASE-FB -- Pretendia ser usada por backbones conectando um grande número de hubs ou switches, agora está obsoleta. 10 BASE-FP -- Uma rede passiva em estrela que não requer repetidores, nunca foi implementada.

Fast Ethernet (100 Mbps) • Manteve do padrão Ethernet o endereçamento, o formato do pacote, o tamanho e o mecanismo de detecção de erro. • 100 Mbps de velocidade • Modo de transmissão half-duplex ou fullduplex. 41

Fast Ethernet

Fast Ethernet 100 BASE-TX A forma mais usada na rede Fast Ethernet □ Cabos CAT 5 e (ou CAT 5) □ Padrões de cabeamento TIA/EIA-568 □ Cada segmento de rede pode ter uma distância de no máximo de 100 metros □ 100 Mbit/s de throughput full-duplex □ Geralmente utiliza topologia estrela □

Fast Ethernet 100 BASE-TX

Gigabit Ethernet (1000 Mbps) • Suporta o quadro padrão Ethernet • Taxa de transmissão de 1 Gbps • Segue o padrão Ethernet com detecção de colisão, regras de repetidores, aceita modo de transmissão half-duplex e full-duplex. 45

Gigabit Ethernet Permite enlaces ponto-a-ponto e canais de múltiplo acesso compartilhados No modo compartilhado, o CSMA/CD é usado; exige pequenas distâncias entre os nós para ser eficiente Usa hubs, chamados aqui de Distribuidores com Armazenagem “Buffered Distributors” Full-Duplex a 1 Gbps para enlaces ponto-a-ponto 5 - 46

Gigabit Ethernet

10 Giga Ethernet • Segue o padrão Gigabit Ethernet, porém seu modo de transmissão é, única e exclusivamente, full-duplex • Meio físico é a fibra óptica – multimodo ou monomodo. • 10 Gigabit Ethernet é utilizado em rede MAN. • Só permite ligações ponto-a -ponto. 48

Pausa para pensar. . Precisamos pensar em algumas coisas. . . Note que na topologia 10 Base 2 é utilizada a topologia barramento (meio compartilhado), como tratar a colisão? □ Quais as topologias utilizadas em cada padrão? □ Todos os padrões Ethernet precisam tratar colisão? □

Como o Ethernet detecta colisões? • Cada estação ouve o meio antes de iniciar uma transmissão. Baseia-se no princípio “verificar antes de transmitir”, “ouvir antes de falar”. • Reduz a possibilidade de colisão. • Estratégia de persistência: A máquina ouve o meio e se estiver livre inicia a transmissão. Se estiver ocupado espera um tempo aleatório e envia. 50

Ethernet usa CSMA/CD Sem slots Adaptador não transmite se ele detectar algum outro adaptador transmitindo, isto é, carrier sense O adaptador transmissor aborta quando detecta outro adaptador transmitindo, isto é, collision detection Antes de tentar uma retransmissão, o adaptador espera um período aleatório, isto é, random access 5 - 51

Algoritmo CSMA/CD da Ethernet 1. Adaptador recebe um datagrama da camada de rede e cria um quadro. 2. Se o adaptador detecta um canal livre, ele começa a transmitir o quadro. Se ele detecta o canal ocupado, espera até ele ficar livre e então transmite. 3. Se o adaptador transmite o quadro todo sem detectar outra transmissão, sua missão com esse quadro está cumprida! 4. Se o adaptador detecta outra transmissão enquanto transmite, ele aborta e envia um jam signal 5. Após abortar, o adaptador entra em exponential backoff: após a m-ésima colisão, o adaptador escolhe um K aleatório de {0, 1, 2, …, 2 m-1}. O adaptador espera K·512 tempos de bit e retorna ao passo 2. 5 - 52

Ethernet CSMA/CD Jam signal: garante que todos os outros transmissores estão cientes da colisão; 48 bits; Bit time: . 1 microseg para Ethernet de 10 Mbps; para K=1023, o tempo de espera é cerca de 50 mseg Veja o applet Java no Web site da AWL: altamemte recomendado! Exponential backoff: Objetivo: adaptar tentativas de retransmissão para carga atual da rede Carga pesada: espera aleatória será mais longa Primeira colisão: escolha K entre {0, 1}; espera é K x 512 tempos de transmissão de bit Após a segunda colisão: escolha K entre {0, 1, 2, 3}… Após 10 ou mais colisões, escolha K entre {0, 1, 2, 3, 4, …, 1023} 5 - 53

Eficiência do CSMA/CD Tprop = propagação máxima entre 2 nós na LAN ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho máximo Eficiência tende a 1 quando tprop tende a 0 Tende a 1 quando ttrans tende ao infinito Muito melhor do que o ALOHA, e ainda é descentralizado, simples e barato 5 - 54