Protocolos da Camada de Enlace

Capítulo 5: Camada de Enlace
5: Camada de Enlace 5a-1
Protocolos da Camada de Enlace
5: Camada de Enlace 5a-2
Serviços da Camada de Enlace
 Enquadramento e acesso ao enlace:
 encapsula datagrama num quadro incluindo cabeçalho e
cauda,
 implementa acesso ao canal se meio for compartilhado,
 ‘endereços físicos’ são usados em cabeçalhos de quadros
para identificar origem e destino de quadros em enlaces
multiponto
 Entrega confiável:
 Pouco usada em fibra óptica, cabo coaxial e alguns tipos
de pares trançados devido a taxas de erro de bit muito
baixas.
 Usada em enlaces de rádio, onde a meta é reduzir erros
evitando assim a retransmissão fim a fim.
5: Camada de Enlace 5a-3
Serviços da Camada de Enlace (mais)
 Controle de Fluxo:
 compatibilizar taxas de produção e consumo de quadros
entre remetentes e receptores
 Detecção de Erros:
 erros são causados por atenuação do sinal e por ruído
 receptor detecta presença de erros
 receptor sinaliza ao remetente para retransmissão, ou
simplesmente descarta o quadro em erro
 Correção de Erros:
 mecanismo que permite que o receptor localize e corrija o
erro sem precisar da retransmissão
5: Camada de Enlace 5a-4
Implementação de Protocolo da Camada
de Enlace
 Protocolo da camada de enlace é implementado totalmente no
adaptador (p.ex., cartão PCMCIA). Adaptador tipicamente
inclui: RAM, circuitos de processamento digital de sinais,
interface do barramento do computador, e interface do enlace
 Operações de transmissão do adaptador: encapsula (coloca
número de seqüência, info de realimentação, etc.), inclui bits
de detecção de erros, implementa acesso ao canal para meios
compartilhados, coloca no enlace
 Operações de recepção do adaptador: verificação e correção
de erros, interrompe computador para enviar quadro para a
camada superior, atualiza info de estado a respeito de
realimentação para o remetente, número de seqüência, etc.
5: Camada de Enlace 5a-5
Detecção de Erros
EDC= bits de Detecção e Correção de Erros (redundância)
D = Dados protegidos por verificação de erros,
podem incluir alguns campos do cabeçalho
• detecção de erros não é 100% perfeita;
• protocolo pode não identificar alguns erros, mas é raro
• maior campo de EDC permite melhorar detecção e correção
5: Camada de Enlace 5a-6
Uso de Bits de Paridade
Paridade de 1 Bit:
Detecta erros em um único
bit
Paridade de Bit Bidimensional:
Detecta e corrige em um único bit
5: Camada de Enlace 5a-7
Métodos de “Checksum”
 Checksum “Internet”: Remetente considera dados como
compostos de inteiros de 16 bits; soma todos os campos de 16
bits (usando aritmética de complemento de um) e acrescenta a
soma ao quadro; o receptor repete a mesma operação e compara
o resultado com o checksum enviado com o quadro.
 Códigos de Redundância Cíclica (Cyclic Redundancy Codes):
 Dados considerados como a seqüência de coeficientes de um
polinômio (D)
 É escolhido um polinômio Gerador, (G), (=> r+1 bits)
 Divide-se (módulo 2) o polinômio D*2r por G. Acrescenta-se
o resto (R) a D. Observa-se que, por construção, a nova
seqüência <D,R> agora é exatamente divisível por G
5: Camada de Enlace 5a-8
Exemplo de CRC
5: Camada de Enlace 5a-9
Implementação de CRC (cont)
 Remetente realiza em tempo real por hardware a divisão da
seqüência D pelo polinômio G e acrescenta o resto R a D
 O receptor divide <D,R> por G; se o resto for diferente de
zero, a transmissão teve erro
 Padrões internacionais de polinômios G de graus 8, 12, 15 e
32 já foram definidos
 A ARPANET utilizava um CRC de 24 bits no protocolo de
enlace de bit alternado
 ATM utiliza um CRC de 32 bits em AAL5
 HDLC utiliza um CRC de 16 bits
5: Camada de Enlace 5a-10
Enlaces e Protocolos de Múltiplo Acesso
Três tipos de enlace:
(a) Ponto-a-ponto (um cabo único)
(b) Difusão (cabo ou meio compartilhado;
p.ex., Ethernet, rádio, etc.)
(c) Comutado (p.ex., E-net comutada, ATM, etc)
Começamos com enlaces com Difusão.
Desafio proncipal: Protocolo de Múltiplo Acesso
5: Camada de Enlace 5a-11
Protocolos de Controle de Acesso ao
Meio (MAC)
 Protocolo MAC: coordena transmissões de estações
diferentes a fim de minimizar/evitar colisões. Tem 3 classes:
(a) Particionamento do Canal
(b) Acesso Aleatório
(c) “Revezamento”
 Meta: ser eficiente, justo, simples, descentralizado
5: Camada de Enlace 5a-12
Protocolos de Particionamento do Canal
 TDM (Multiplexação por Divisão de Tempo): canal dividido em N
intervalos de tempo (“slots”), um para cada usuário; ineficiente
com usuários de pouco demanda ou quando carga for baixa.
 FDM (Multiplexação por Divisão de Freqüência): freqüência
subdividida; mesmos problemas de eficiência do TDM.
5: Camada de Enlace 5a-13
Particionamento do Canal com CDMA
 CDMA (Múltiplo Acesso por Divisão por Código): explora
esquema de codificação de espectro espalhado - DS (Direct
Sequence) ou FH (Frequency Hopping)
 “código” único associado a cada canal; ié, particionamento do
conjunto de códigos
 Mais usado em canais de radiodifusão (celular, satélite, etc)
 Todos usuários compartilham a mesma freqüência, mas cada
canal tem sua própria seqüência de “chipping” (ié, código)
 Seqüência de chipping funciona como máscara: usado para
codificar o sinal
 sinal codificado = (sinal original) X (seqüência de chipping)
 decodificação: produto interno do sinal codificado e a
seqüência de chipping (observa-se que o produto interno é a
soma dos produtos componente-por-componente)
 Para fazer CDMA funcionar, as seqüências de chipping devem
ser mutuamente ortogonais entre si (i.é., produto interno = 0)
5: Camada de Enlace 5a-14
CDMA: Codificação/Decodificação
5: Camada de Enlace 5a-15
CDMA: interferência entre dois remetentes
5: Camada de Enlace 5a-16
CDMA (cont)
Propriedades do CDMA:
 protege usuários de interferência (inclusive a proposital)
(usado desde a Segunda Guerra Mundial)
 protege usuários do “multipath fading” (interferência entre
2 trajetórias do mesmo sinal, p.ex. o direto e por reflexão)
em rádio
 permite a “coexistência” de múltiplos usuários e suas
transmissões simultâneas com um mínimo de interferência
(se os códigos deles forem “ortogonais”)
5: Camada de Enlace 5a-17
Protocolos de Acesso Aleatório
 Uma estação transmite aleatoriamente (ié, sem coordenação
a priori entre estações) ocupando toda a capacidade R do
canal.
 Se houver “colisão” entre as transmissões de duas ou mais
estações, elas retransmitem depois de espera aleatória.
 O protocolo MAC de acesso aleatório especifica como
detectar colisões e como se recuperar delas (através de
retransmissões retardadas, por exemplo)
 Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório:
(a) SLOTTED ALOHA
(b) ALOHA
(c) CSMA e CSMA/CD
5: Camada de Enlace 5a-18
Slotted Aloha
 O tempo é dividido em slots de tamanho igual (= tamanho de
um pacote cheio)
 uma estação com pacote para enviar o transmite no início do
próximo slot
 se houver uma colisão (supõe-se realimentação pelo canal,
p.ex. o receptor avisa o remetente da colisão), a origem
retransmite o pacote a cada slot com probabilidade P, até
conseguir sucesso.
 Slots com Sucesso (S), com Colisão (C), ou Vazios (E)
 S-ALOHA é eficiente na utilização do canal; é
completamente descentralizado.
5: Camada de Enlace 5a-19
Eficiência de Slotted Aloha
Se N estações tiverem pacotes para enviar, e cada uma
transmite em cada slot com probabilidade p, a probabilidade S
de uma transmissão com sucesso é:
Para uma estação específica, S= p (1-p)(N-1)
Para que qualquer uma das N estações consiga transmitir com
sucesso num slot,
S = N p (1-p)(N-1)
Valor ótimo de P: P = 1/N
Por exemplo, se N=2, S= .5
Para N muito grande temos S= 1/e (aproximadamente, 0,37)
5: Camada de Enlace 5a-20
ALOHA puro (sem slots)
Slotted ALOHA requer sincronização dos slots
Um versão mais simples, ALOHA puro, não requer slots
Uma estação transmite sem aguardar o início de um slot
A probabilidade de colisão aumenta (pacote pode colidir com
outros pacotes transmitidos dentro de uma janela duas vezes
o tamanho de S-Aloha)
 A vazão é reduzida pela metade, ié S= 1/(2e)  0,18




5: Camada de Enlace 5a-21
CSMA (Carrier Sense Multiple Access)
 CSMA: escuta antes de transmitir. Se detecta que o canal
está sendo usado, adia transmissão.
 CSMA persistente: tenta novamente assim que o canal se
tornar ocioso (isto pode provocar instabilidade)
 CSMA não persistente: tenta novamente depois de intervalo
aleatório
 Note: colisões ainda podem ocorrer, pois duas estações
podem detectar o canal ocioso ao mesmo tempo (ou, melhor,
dentro de uma janela de “vulnerabilidade” = retardo ida e
volta entre as duas estações envolvidas)
 No caso de colisão, é desperdiçado todo o tempo de
transmissão do pacote
5: Camada de Enlace 5a-22
Colisões em CSMA
5: Camada de Enlace 5a-23
CSMA/CD (Detecção de Colisões)
 CSMA/CD: escuta o meio e faz adiamento como o CSMA.
Entretanto, colisões detectadas rapidamente, em poucos
“intervalos de bit”.
 Transmissão é então abortada, reduzindo consideravelmente
o desperdício do canal.
 Tipicamente, é implementada retransmissão persistente
 Detecção de colisões é fácil em rede locais usando cabo
(p.ex., E-net): pode-se medir a intensidade do sinal na linha,
detectar violações do código, ou comparar sinais Tx e Rx
 Detecção de colisões não pode ser realizada em redes
locais de rádio (o receptor é desligado durante transmissão,
para evitar danificá-lo com excesso de potência)
 CSMA/CD pode conseguir utilização do canal perto de 100%
em redes locais (se tiver baixa razão de tempo de
propagação para tempo de transmissão do pacote)
5: Camada de Enlace 5a-24
Detecção de colisões em CSMA/CD
5: Camada de Enlace 5a-25
Protocolos MAC de “revezamento”
 Até aqui já vimos:
 Protocolos MAC de particionamento de canal (TDM, FDM e
CDMA) podem compartilhar o canal eqüitativamente; porém,
uma única estação não consegue usar toda a capacidade do
canal
 Protocolos MAC de acesso aleatório permitem que um único
usuário utilize toda a capacidade do canal; entretanto, eles
não conseguem compartilhar o canal de maneira justa (de
fato, é comum observar a captura do canal)
 Também existem protocolos de “revezamento”...
5: Camada de Enlace 5a-26
Protocolos MAC de “revezamento”
 Protocolos MAC de revezamento conseguem tanto justeza
como acesso individual a toda a capacidade do enlace, ao
custo de maior complexidade de controle
(a) Polling: uma estação Mestre numa rede local “convida”
em ordem as estações escravas a transmitir seus pacotes
(até algum Máximo). Problemas: custo de Request to
Send/Clear to Send, latência, ponto único de falha (Mestre)
(b) Passagem de ficha de permissão: a ficha de
permissão é passada seqüencialmente de estação a estação.
É possível aliviar a latência e melhorar tolerância a falhas
(numa configuração de barramento de fichas). Entretanto,
procedimentos complexos para recuperar de perda de ficha,
etc.
5: Camada de Enlace 5a-27
Tecnologias de Rede Local
 Protocolos MAC usados em redes locais, para controlar
acesso ao canal
 Anéis de fichas: IEEE 802.5 (Token Ring da IBM), para sala
de computação, ou rede departamental, até 16Mbps; FDDI
(Fiber Distributed Data Interface), para rede de Campus ou
Metropolitana, até 200 estações, em 100Mbps.
 Ethernet: emprega o protocolo CSMA/CD; 10Mbps (IEEE
802.3), Fast E-net (100Mbps), Gigabit E-net (1,000 Mbps);
de longe a tecnologia mais popular de rede local
5: Camada de Enlace 5a-28