REDES INDUSTRIAIS SEMANA 5 A SUB CAMADA DE

REDES INDUSTRIAIS SEMANA 5 – A SUB CAMADA DE CONTROLE DE ACESSO AO MEIO 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 1

Técnicas de Acesso ao Meio. n n n As redes podem usar canais ponto a ponto ou canais broadcast ou multiponto. Esta aula trata de redes usando canais broadcast. Na literatura canais broadcast são muitas vezes referenciados como “canais de acesso múltiplo” ou “canais de acesso aleatório”. Os protocolos usados para determinar quem deverá usar o meio físico primeiro em canais de múltiplo acesso pertencem a subcamada de enlace de dados chamada subcamada MAC. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 2

Problemas de alocação de Canal Como alocar um canal broadcast para usuários competindo pelo seu uso? n Iremos analisar esquemas estáticos e dinâmicos. n 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 3

Alocação de Estática de Canal em LANs e MANs n n Esquema tradicional FDM. N usuários e n Canais. FDM é eficiente para um número pequeno e constante de usuários com tráfego de fluxo constante. Para um número variável de usuários ou mesmo tráfego de fluxo variável o FDM ou TDM estático não é eficiente! 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 4

Multiplexação por divisão de frequência. (a) A Largura de banda original. (b) As larguras de banda originadas em frequência. (c) O canal ultiplexado. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 5

Modelo de Alocação Dinâmica de Canal em LANs e MANs n Modelo de N Estações ou Terminais – computadores, telefones ou computadores pessoais. n n n Condição de Canal único Condição de colisão n n n n Geram quadros para transmissão A probabilidade de um quadro ser gerado num intervalo de tempo Δt é Δt onde é uma constante (taxa de chegada de novos quadros) Uma vez o quadro é gerado a estação é bloqueada e não funciona até que o mesmo seja transmitido. A sobreposição de 2 ou mais quadros é uma colisão Todas as estações podem detectar colisão Um quadro que sofreu colisão deve ser retransmitido. Não existe outros erros no sistema além dos gerados pelas colisões. Tempo contínuo Tempo discreto (slot de tempo): slot vazio, transmissão ou coisão. Com Sensor de portadora (Carrier Sense) _ LANs (sim), Redes Wireleess (não usam). Sem sensor de portadora (No Carrier Sense) 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 6

5. Técnicas de Acesso ao Meio 5. 1 Técnicas para Acesso Baseado em Colisão n Numa rede baseada em contenção não existe uma ordem de acesso. n Nada impede que dois ou mais nós transmitam ao mesmo tempo provocando uma colisão (contenção). 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 7

5. 1. 1 Aloha 5. 1. 1. 1 Aloha Pura n Norman Abramson, 1970 (University of Hawaii) n Transmissão a qualquer instante, sem restrição e sincronismo de tempo. n O transmissor aguarda confirmação da chegada da mensagem ou ouve o canal. n Se não houver possibilidade de ouvir o meio então o transmissor aguarda a confirmação da recepção da mensagem. n Se esta confirmação não chegar em tempo hábil a mensagem é retransmitida e passa-se a aguardar a confirmação. n Com satélites existe um retardo de 270 ms antes da confirmação chegar. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 8

Em ALOHA pura os quadros são transmitidos em tempos completamente arbitrários 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 9

Técnicas de Controle de Acesso ao Meio Aloha e Slotted-Aloha 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 10

5. 1. 1. 2 Aloha Discreta (Slotted Aloha) n n n Roberts, 1972 Praticamente dobra a eficiência do sistema anterior. O tempo é dividido pelo sistema central em intervalos regulares (slots). O slot é correspondente ao tempo de uma transmissão. Cada estação só pode iniciar uma transmissão no início de um intervalo. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 11

Período vulnerável para a transmissão do bloco sombreado. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 12

Throughput vs. Tráfego oferecido para os sistemas Aloha. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 13

5. 1. 1. 3 Elementos Essenciais do Sistema Aloha da Universidade do Hawaii. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 14

5. 1. 1. 3 Elementos Essenciais do Sistema Aloha (1) Lado Central: Minicomputador chamado Menehune ("IMP") conectado a uma antena. n O Menehune é por sua vez conectado a 2 outros computadores e a duas outras redes, ARPANET e PACNET. (2) Cada estação: Tem uma unidade de controle que armazena algum texto e trata retransmissões. n Algumas estações estão conectadas a concentradores para reduzir custos de transmissor/receptor. (3) Tamanho Máximo do Pacote: 32 (cabeçalho) + 16 (checksum) + 640 (até 80 bytes de dados) + 16 (checksum) = 704 bits. n Em 9600 bps, o tempo de transmissão do pacote mais longo era 73 ms. (4) Quando uma estação tem dados a transmitir ela transmite diretamente. n Quando o Menehune recebe um pacote ele insere um pacote de reconhecimento dentro de seus dados de saída. n Se uma estação não recebe um reconhecimento dentro de um tempo previsto, ela assume que o pacote sofreu uma colisão e retransmite ele. (5) Intervalos de retransmissão: 200 a 1500 ms. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 15

5. 1. 1. 4 Vantagens n n n Simplicidade => baixo custo Adequada a aplicações onde o tráfego na rede é pequeno E onde prioridade e tempo de resposta limitado não são importantes. Eficiência do canal é de 18% para a Aloha Pura e 37% para a Aloha Discreta. 5. 1. 2 CSMA Carrier Sense Multiple Access Os protocolos nos quais as estações ouvem por uma portadora e agem de acordo são chamados protocolos de sensor de portadoras. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 16

Métodos de Acesso CSMA não persistente (np. CSMA) 11/6/2020 n CSMA Persistente (p-CSMA) Redes Industriais - R. C. Betini 17

np-CSMA 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 18

CSMA Persistente 1

Técnicas CSMA p-Persistente 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 20

Comparação da utilização do canal vs. Carga para vários protocolos de acesso aleatório 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 21

5. 1. 2. 4 CSMA/CD n n O método pode ser aplicado em redes em banda básica e em redes em banda larga Análise de eficiência n tp = tempo de propagação entre os dois nós mais distantes da rede n M = tamanho do quadro n C = taxa de transmissão 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 22

CSMA com Detecção de Colisão n n CSMA persistente ou não perssitente são melhoramentos do protocolo ALOHA. Outro melhoramento é o fato das estações abortarem suas transmissões ao detectarem uma colisão. Este protocolo é conhecido como CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Este protocolo é a base para a Ethernet. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 23

Técnica CSMA/CD 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 24

Colisão em Redes em Banda Básica 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 25

Colisão em Redes em Banda Larga cabo duplo.

Equação expressando a Eficiência do Método CSMA/CD 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 27

5. 1. 2. 4 CSMA/CD n n n Para que haja detecção de colisão: n Para redes em banda básica M >= 2 Ctp n Para redes em banda larga M>= 4 Ctp Equação 1 Quanto maior a distância, maior o tempo de propagação, menor a eficiência, e maior o tamanho mínimo do quadro para a detecção de colisão. Quanto maior a taxa de transmissão, maior é o tamanho mínimo do quadro e maior a eficiência. Quanto maior se queira a eficiência, maior deverá ser o tamanho do quadro. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 28

Eficiência da IEEE 802. 3 em 10 Mbps com 512 -bit slot times. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 29

5. 1. 2. 5 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) n n n Depois de cada transmissão, com ou sem colisão a rede entra num modo onde as estações só podem começar a transmitir em intervalos de tempo a elas pré-alocados. Ao findar uma transmissão, a estação alocada ao primeiro intervalo tem o direito de transmitir sem a probabilidade de colisão. Se não o faz, o direito passa a estação alocada ao segundo intervalo e assim sucessivamente, até que ocorra uma transmissão. Se todos os intervalos não são utilizados, a rede entra no estado onde um método CSMA comum é utilizado para acesso. Podendo ocorrer colisões. Uma transmissão nesse estado (transmissão com colisão ou não) volta o algoritmo para o modo de pré-alocação dos intervalos. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 30

CSMA/CA pode estar em um dos 3 estágios: transmitindo, vazia ou em colisão. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 31

5. 2 Acesso Ordenado sem contenção Acesso ao meio de comunicação evitando o problema da colisão. 5. 2. 1 Polling n Geralmente usada em topologia barra. n Estações conectadas à rede só transmitem quando interrogadas pelo controlador da rede. n n Utiliza uma estação centralizadora. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 32

5. 2. 2 Slot n n Utilizado principalmente em topologia em anel. Divide o espaço de comunicação em um número inteiro de pequenos segmentos (slots) dentro dos quais a mensagem pode ser armazenada. Todas as estações sabem o número de slots que a rede contém. Utiliza estação monitora para supervisionar o anel. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 33

n Ilustração de um anel de slots. 11/6/2020 n Anel de Slots (ou anel segmentado) Redes Industriais - R. C. Betini 34

5. 2. 2. 1 Fasnet n n n n n A rede FASNET utiliza 2 barras unidirecionais. Estações são ligadas as 2 barras podendo Tx e Rx em ambas. Uma estação i utiliza a barra A para transmitir dados para uma estação j quando seu índice for menor que o de j. E utiliza a barra B quando for maior. O ciclo de transmissão é iniciado pela primeira estação ligada à barra. Quando uma estação deseja transmitir para uma estação com índice maior que o seu, ela detecta o início do trem de slots na barra A, verificando o start bit dos slots que recebe. E espera até que o primeiro slot vazio do ciclo chegue a sua unidade de acesso. A estação muda o valor de um bit do cabeçalho do slot marcando-o como ocupado. Em seguida coloca os endereços de destino, de origem, e seus dados no slot. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 35

5. 2. 2. 1 Fasnet n n n n Se os dados não couberem em um único slot, a estação poderá utilizar slots consecutivos para transporta-los até um limite definido por sua cota de transmissão. Quando a estação de destino recebe o slot, ela copia os dados , porém não muda seu estado. O slot segue marcado como ocupado até chegar ao final da barra. Depois que todas as estações tenham tido oportunidade de transmitir, a última estação da barra receberá um slot vazio. Esse evento dispara a atribuição do valor 1 ao end bit de um slot na barra oposta (barra B). Ao receber este slot, a primeira estação da barra A gera um slot com o start bit igual a 1, e o transmite na barra A. Iniciando assim um novo ciclo de transmissões nessa barra. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 36

Topologia da FASNET 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 37

5. 2. 2. 1 Protocolos de Múltiplo Acesso por Divisão de Comprimento de Onda (WDMA) n n n Divide-se o canal em sub-canais usando FDM ou TDM ou ambos e dinamicamente aloca-se eles quando necessário. Esquemas deste tipo são usados em LANs em fibra óptica permitindo diferente conversações usarem diferentes comprimentos de onda (isto é frequências) ao mesmo tempo. Um exemplo de uso é a topologia estrela passiva em redes de fibra óptica. Esta topologia pode trabalhar com centenas de estações. Para permitir transmissões múltiplas ao mesmo tempo, o espectro é dividido em sub-canais onde esquema FDM pode ser utilizado. Neste protocolo WDMA, a cada estação é designado 2 canais. Um canal estreito de controle para sinalizar a estação e outro largo para a estação transmitir seus quadros de informação. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 38

Topologia Estrela Passiva 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 39

5. 2. 2. 1 Protocolos de Múltiplo Acesso por Divisão de Comprimento de Onda (WDMA) n Cada canal é dividido em grupos de slots de tempo. n Vamos chamar o número de slots no canal de controle m e número de slots nocanal de dados n + 1 , onde n destes são para dados o o último é usado pela estação para reportar seu status (principalmente, qual slots sobre ambos os canais estão livres). A sequencia de slots repetem-se indefinidamente em ambos os canais, com o slot 0 sendo marcado de uma maneira especial para que usuários atrasados possam detectá-lo. Todos os canais são sincronizados por um único clock global. n n 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 40

Protocolo de Múltiplo Acesso por Divisão de Comprimento de Onda (WDMA) 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 41

5. 2. 2. 1 Protocolos de Múltiplo Acesso por Divisão de Comprimento de Onda (WDMA) n n O protocolo suporta 3 tipos de tráfego: tráfego orientado a conexão com taxa de dados constante, tráfego orientado a conexão com taxa de dados variado (arquivos), tráfego datagrama (pacotes UDP). Cada estação tem 2 receptores e 2 transmissores. n n Um receptor comprimento de onda fixo para ouvir seu próprio canal de controle. Um transmissor variável para transmitir na frequencia dos outros canais de controle das estações. Um transmissor comprimento de onda fixo para transmitir quadros de saída. Um receptor variável para selecionar um transmissor de dado que deve ser ouvido. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 42

5. 2. 3 Inserção de Retardo n Uma das primeiras LAN com tecnologia totalmente brasileira (Red. USP). n Um quadro a ser transmitido é colocado no registro de deslocamento RDT. n A chave de 1 muda para 2 e a estação transmite seu quadro. n Neste instante, o quadro que chega é armazenado em RDR. n Após a estação transmitir seu quadro a chave muda para 3. n A chave somente é mudada de 3 para 1 quando a estação receber o próprio quadro que transmitiu. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 43

Anel com Esquema de Inserção de Retardo 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 44

5. 2. 4 Passagem de Permissão n n n Neste tipo de esquema de controle uma permissão (token) - um padrão especial é passado sequencialmente de uma estação para outra. Somente a interface que possui a permissão em um determinado intervalo de tempo pode transmitir quadros. Se adapta muito bem a todos os tipos de topologias, sendo mais usado em redes em anel e em barra. 5. 2. 4. 1 Passagem de Permissão em Barra (Token Bus) n Quando uma estação termina de transmitir ela passa a permissão para a próxima estação do anel lógico. n No mínimo as seguintes funções devem ser realizadas de forma centralizada ou distribuída: n Adição e retirada do anel virtual. n Gerenciamento de falhas (duas ou mais estações com endereços duplicados, perda de transmissão) n Iniciação do anel virtual 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 45

5. 2. 4. 1 Passagem de Permissão em Barra (Token Bus) n n n A passagem de permissão em barra é mais complexa do que a passagem da permissão em anel. A topologia em barra porém trabalha melhor com aplicações em tempo real (protocolo MAP) Fig. 6 -18 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 46

5. 2. 4. 2 Passagem de Permissão em Anel (Token Ring) n n Um modelo de bit especial, chamado ¨token¨, circula ao redor do anel sempre que todas as estações estão vazias. Quando uma estação quer transmitir um quadro, a estação adquire a posse do token e remove ele do anel antes de transmitir. Devido ao fato que existe somente um token, somente uma estação pode transmitir em um dado instante. O momento da inserção de uma permissão livre (token) no anel varia conforme o tipo de operação que pode ser: n Single packet n Single token (taxas de 10 Mbps) n Multiple token (Taxas de 16 Mbps) 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 47

Método de Acesso Token Ring Single Packet 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 48

Método de Acesso Token Ring Single Token: a, b e c conforme figura anterior. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 49

Método de Acesso Token Ring Multiple Token: a e b conforme figura anterior. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 50

5. 2. 5 Protocolos com Reserva n n n Protocolos com reserva foram desenvolvidos inicialmente para redes de satélite (redes que lidam com atraso de propagação grande) As estações que possuem quadros para transmitir fazem reservas no ciclo corrente para transmitir no próximo. Os ciclos usualmente possuem tamanho fixo. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 51

Protocolo Bit Map – Protocolo com Reserva n n Supor uma rede com N estções: 0 a N-1 Cada período de reserva consiste exatamente de N slots. Se a estação Zero tem 1 quadro a transmitir então ela transmite o bit 1 no slot 0. E assim sucessivamente. Após a última estação ter transmitido seu quadro então começa outro período de reserva. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 52

Acesso a canais de satélite baseado em reservas. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 53

5. 3 Protocolos de Acesso com Prioridade n n n Estabelece prioridades para o tratamento de informações. Alguns esquemas que a utilizam: IEEE 802. 4 e IEEE 802. 5. Vários são os requisitos de aceitabilidade que os esquemas de prioridade devem ter: n n n Independência hierárquica de desempenho. Justiça no acesso. Seguro e confiável Sobrecarga decorrida da implementação do esquema de prioridade deve ser a menor possível. Na ausência de prioridade nenhuma sobrecarga deve ser impingida ao esquema normal de acesso a rede. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 54

5. 4 Protocolos para Redes sem Fio n n n Quando os computadores móveis precisam ser conectados a uma rede cabeada fixa para adquirir mobilidade dizemos que eles são portáveis mas não móveis. Para adquirir mobilidade real os notebook portáteis precisam usar sinais de rádio ou infravermelho para se comunicarem entre si. Um sistema de computadores notebook que se comunicam via sinais de rádio é chamado de Wireless LAN. O padrão IEEE 802. 11 descreve estas redes também conhecidas por Wi. Fi. O padrão trabalha em 2 modos: n Na presença de uma estação base (ponto de acesso) n Na ausência de uma estação base – Ad Hoc Networking 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 55

(a) Rede Wireless com estação base e (b) Ad Hoc Networking 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 56

O Protocolo MACA e MACAW (MACA para Wireless): (a) A transmitindo um RTS para B. (b) B respondendo com um CTS para A. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 57

Aplicações em Redes: Ethernet n Os padrões que estão em uso são o IEEE 802. 3(Ethernet), IEEE 802. 11(Wireless LAN), IEEE 802. 15(Bluetooth), IEEE 802. 16 (Wireless MAN) os quais usam o mesmo protocolo IEEE 802. 2 de enlace lógico (LLC) que faz conexão com o protocolo de rede. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 58

Ethernet Cabeada n Quatro tipo de cabos são geralmente usados. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 59

10 BASE 5, 10 BASE 2 e 10 BASE-T 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 60

Topologias a cabo: (a) Linear, (b) Espinha, (c) Árvore e (d) Segmentada n n Na ethernet cabeada não poderemos ter 2 transceivers a mais de 2, 5 km. E nenhum caminho entre 2 transceivers pode ter mais que 4 repetidores. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 61

(a) Codificação Binária, (b) Codificação Manchester, (c) n Codificação Manchester Diferencial Ethernet usa codificação manchester com +0, 85 e -0, 85 V, dando um valor DC de 0 V. 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 62

Formato do Quadro: (a) DIX Ethernet e (b) IEEE 802. 3 - Preâmbulo – 8 x 1010 -Endereço – mais alto bit do endeço de grupo é 0 para endereço ordinário e 1 para endereço de grupo (multicast). Se todos forem 1 é um broadcast. O bit 47 configura endereço local ou endereço global. Se for global temos combinação de 46 bits gerando 7 x 1013 possibilidades de endereços. -Tipo: tipo de quadro especifica o processo que deve ser usado para tratar o quadro. -Dado: máximo de 150º bytes. -Pad: Assegura que o quadro tenha no mínimo 64 bytes (do end. Destino ao check sum). 11/6/2020 Redes Industriais - R. C. Betini 63

Detecção de Colisão deve levar até 2

Para Ethernet 10 Mbps n n n Para percorrer 2, 5 km com 4 repetidores o tempo de ida e volta é 50 s. Portanto o quadro de tamanho mínimo deve levar pelo menos este tempo para ser transmitido. Em 10 Mbps 1 bit leva 100 s para ser transmitido. Logo 500 bits (+- 64 bytes)levaria 50 s, 512 bits foi adotado, criando um slot de tempo de 51, 2 s. Para velocidades maiores o tamanho mínimo do frame de ser maior e em contrapartida o tamanho do segmento diminue. Para uma rede de 2, 5 km operando em 1 Gbps o tamanho mínimo do quadro deveria ser de 6400 bytes. Ou alternativamente o tamanho mínimo do quadro poderia ser 640 bytes e a distância máxima entre 2 estações não poderia ser maior de 250 m.

Ethernet Comutada (Switched) Quando houver muitas estações e muito tráfego uma solução seria o uso de switches. n Estes switches normalmente contém de 4 a 32 cartões. Cada cartão contendo 1 a 8 conectores. n Frequentemente cada conector possui uma tomada 10 BASE-T para um determinado computador. n

Um simples Exemplo de Ethernet Comutada

Fast Ethernet (IEEE 802. 3 u)

Gigabit Ethernet n Todas a conexões da Gigabit Ethernet são ponto a ponto. Não há possibilidade de colisão, logo CSMA/CD não é usado.

Cabeamento Gigabit Ethernet