MAC Controle de acesso ao meio Tipos de transmissão Alocação

MAC
• Camada de Enlace
dividida em:
Controle de acesso ao meio
Marcos Augusto Menezes Vieira
– MAC - Medium Access
Control na camada
inferior
– LLC - Link Logical
Control com funções
de controle lógico do
enlace
Controle de acesso ao meio
MAC – Medium Access Control
• Coordenação do acesso ao meio
• Sub-camada da camada de enlace
• Meio compartilhado em
redes locais
• 1973 Robert Metcalfe
tese • 1976 XEROX, DEC e
Intel – Ethernet
• Acesso de vários terminais (ou estações) a um mesmo canal
• Problema:
– Como alocar um único canal difusão entre vários usuários?
Tipos de transmissão
• Unicast: um envia para um
• Broadcast: um envia para todos
• Multicast: um envia para vários
• GM automatizou a sua
linha de produção –
token-bus
• IBM adota padrão de
rede – token-ring
Alocação estática e
dinâmica
• Estático
– Simples
– Ineficiente
• Dinâmico
• Em geral: unicast e broadcast somente
• Custo de broadcast = custo de unicast!
– Meio compartilhado
– Endereço de broadcast: todas as estações
respondem a ele
– Meio compartilhado
– Complexo
– Potencialmente mais eficiente
Alocação dinâmica de canal
Premissas
Alocação dinâmica de canal
Premissas
1. Estações:
2. Único canal de comunicação:
– Existem n estações independentes que geram
quadros a serem transmitidos
– A estação fica bloqueada até o quadro ser
totalmente transmitido
– Todas estações compartilham um único canal
de comunicação para transmissão e recepção
– Do ponto de vista de hardware, as estações são
equivalentes
– Do ponto de vista de software, as estações
podem ter prioridades
– Aspecto fundamental do estudo
7
8
Alocação dinâmica de canal
Premissas
Alocação dinâmica de canal
Premissas
3. Colisões:
4. Política de transmissão de quadros ao longo do
tempo:
– A transmissão “simultânea” de dois ou mais
quadros por estações diferentes causa uma
colisão
– Estações são capazes de detectar colisões
– Quadros envolvidos em colisões devem ser
transmitidos posteriormente
– Qualquer instante (continuous time)
– Instantes pré-determinados (slotted time)
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10
Alocação dinâmica de canal
Premissas
Colisão
5. Detecção de portadora para transmissão de
quadro:
• Meio compartilhado Colisão
• Ciclo:
– Em t0 uma estação termina sua
transmissão
– A estação A transmite seu
quadro na rede
– Em t0 + (tp - ∆tp) a estação B
inicia sua transmissão
– Haverá colisão do quadro A e B
– B envia sinal de colisão para a
rede
– A estação A detectará colisão
após um tempo (2 tp - ∆tp)
– Com detecção (carrier sense)
– Sem detecção (no carrier sense)
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ALOHA puro
ALOHA puro
In pure ALOHA, frames are transmitted at completely arbitrary
times.
ALOHA puro e com slots
Vulnerable period for the shaded frame.
ALOHA com slots
• Muitas colisões: não verifica se o meio está livre
• Slotted ALOHA
– Tempo dividido em unidades
– Transmissão ocorre somente no início de uma
unidade
– Menor vulnerabilidade dos quadros
Protocolo CSMA 1-persistent
Princípio
Protocolo CSMA 1-persistent
• É chamado 1-persistent porque sempre
transmite ao verificar que o canal está
desocupado, ou seja,
• Uma estação ao desejar transmitir escuta o canal
• Se estiver ocupado espera até ficar livre
– Probabilidade = 1 de transmitir, se canal está
livre
• Transmite o quadro quando o canal fica livre
• Se ocorre uma colisão, a estação espera um tempo
aleatório e começa o processo todo novamente
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• O tempo de propagação tem um efeito
importante no desempenho do protocolo
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Protocolo CSMA não
persistente
Protocolo CSMA p-persistent
• Similar ao 1-persistent
• É usado em canais com slots (períodos de tempo)
• Diferença:
• Princípio do p-persistent:
– Ao verificar que o canal está ocupado espera um
período de tempo aleatório e começa o processo
novamente
– Método menos guloso que tem um desempenho
melhor que o 1-persistent
–
–
–
–
–
Estação escuta o canal
Se livre, transmite com probabilidade p
Senão, espera até o próximo slot (q = 1 – p)
Repete o processo novamente no próximo slot
Se ocorre colisão, a estação espera um tempo
aleatório e repete o processo
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Desempenho
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CSMA
• CSMA – Carrier Sense Multiple Access
• Estações escutam o meio por curto período
antes de transmitir, procurando identificar
transmissões em curso
• Problema: colisões
• Solução: políticas de atraso da transmissão
(back-off)
Comparison of the channel utilization versus load for
various random access protocols.
CSMA/CD e CSMA/CA
Protocolo CSMA/CD
• CSMA/CA: collision avoidance
• CD — Collision Detection
– Receptor identifica colisão pelo checksum
• CSMA/CD: collision detection
– Transmissor identifica colisão
– Transmissão de código de colisão (jamming)
• Melhoria introduzida:
– Uma estação ao detectar colisão pára de transmitir
imediatamente o quadro
– Economiza tempo e BW
• CSMA/CD consiste em alternar períodos de
contenção e transmissão
• Foi padronizado como IEEE 802.3 (Ethernet)
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Protocolo CSMA/CD
• Questão importante: quanto tempo uma estação
deve esperar para saber se houve uma colisão
ou não?
– 2x o tempo de propagação no cabo de ponta-aponta
• Conclusão importante:
– Uma colisão não ocorre após esse período de
tempo
• Colisões afetam o desempenho do sistema
principalmente em cabos longos e quadros
curtos
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Ethernet
IEEE 802.3
Evolução da Ethernet
• Baseado no padrão Ethernet de 10 Mbps
proposto pela Xerox, DEC e Intel
This diagram was hand drawn by Robert M. Metcalfe and
photographed by Dave R. Boggs in 1976 to produce a 35mm
slide used to present Ethernet to the National Computer
Conference in June of that year. On the drawing are the
original terms for describing Ethernet.
Further information about the origins of Ethernet can be
found in the reprinted from "Communications of the ACM" of
Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer
Networks by Robert M. Metcalfe and David R. Boggs.
Source:
http://grouper.ieee.org/groups/802/3/ethernet_diag.html
http://www.acm.org/classics/apr96
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Padrão IEEE
Ano
802.3
1983
10 Mbps – cabo coaxial
Descrição
802.3i
1990
10 Mbps – par trançado
802.3j
1993
10 Mbps – fibra ótica
802.3u
1995
100 Mbps – Fast Ethernet
802.3ab
1999
1 Gbps – par trançado
802.3an
2006
10 Gbps – par trançado
Ethernet – estrutura de
quadro
Ethernet - cabeamento
• Endereço MAC:
– 3 primeiros bytes identificam o fabricante
– 3 últimos bytes identificam o modelo e
“número de série” da placa
Frame formats. (a) DIX Ethernet, (b) IEEE 802.3.
(a) 10Base5, (b) 10Base2, (c) 10Base-T.
Protocolo IEEE 802.3
Protocolo IEEE 802.3
• Preâmbulo (10101010) usado para sincronização
entre RX e TX
• Pad:
• Início de quadro: 10101011
• Endereço:
•
•
•
•
– Campo de dados deve ser ≥ 46
– Caso contrário, pad = 46 – esse valor
– Prevenir que uma estação termine de transmitir
um quadro antes do primeiro bit chegar no
extremo do cabo e ocorra uma colisão
bit 47 = 0: para outra estação
bit 47 = 1: multicast
todos bits = 1: broadcast
bit 46 = endereço local ou global
33
Padding e colisões
34
Protocolo IEEE 802.3
• Por que 64 bytes?
• Para uma rede a
–
–
–
–
–
10 Mbps,
comprimento máximo de 2500 metros, e
quatro repetidores
Tempo mínimo de transmissão = 51 µs
Tamanho mínimo do quadro = 64 bytes
Collision detection can take as long as 2τ .
36
Protocolo IEEE 802.3:
Algoritmo de espera
Protocolo IEEE 802.3:
Algoritmo de espera
• Ao ocorrer uma colisão, as estações devem
esperar (sortear) um intervalo de tempo de
espera
• Slots de espera:
– Número inteiro no intervalo [0 .. 2c – 1], onde c é o
número de colisões consecutivas
– Para c de 10 a 16 o no máximo de slots é 1023
– Valor máximo de c é 16, quando a tentativa de
transmitir é encerrada
• Modelo:
– Tempo é dividido em intervalos (slots) = 51.2 µs
• Algoritmo (binary exponential backoff)
37
38
Eficiência da Ethernet
Efficiency of Ethernet at 10 Mbps with 512-bit slot times.
Hub
• Primeira geração - apareceu por volta de 1984 e
era utilizada para conectar vários segmentos de
rede local.
• Segunda geração - com gerenciamento local e
remoto dos segmentos de rede a ele
conectados, permiti a interligação de
arquiteturas diferentes de redes locais, como
Ethernet e Token Ring.
• Terceira geração - são os Hubs “inteligentes”.
• Quarta geração - de Hubs é a dos chamados
switch-hubs. Enviam os dados somente à porta
correta
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LANs 802.3 comutadas
• Solução quando o tráfego cresce a um ponto
que a rede satura
• Comutador (switch) típico:
–
–
–
–
Backplane de alta velocidade (> 1 Gbps)
4 a 32 cartões de linha
Cada cartão com 1 a 8 conectores
Conexão 10Base-T
44
Switch
Switch
•
Funcionamento:
– Para cada porta de entrada é mantido um
buffer
– Os quadros recebidos armazenados em
RAM a medida que chegam
– Após algum tempo na LAN monta a sua
tabela de quadros na memória RAM
– Verifica se o quadro recebido pertence
àquela porta ou se destina a outra porta
– Se pertence, o quadro é enviado
diretamente para o destino
– Se não pertence, o quadro é transmitido
através de seu barramento interno para a
porta correta.
45
46
Switch - aprendizado
Switch - algoritmo
• Um switch possui uma tabela de switch
• Entrada na tabela do switch:
– (endereço MAC, interface, marca de tempo)
– Entradas expiradas na tabela são descartadas (TTL
pode ser 60 min)
• Switch aprende quais hospedeiros podem ser
alcançados através de suas interfaces
– Quando recebe um quadro, o switch “aprende” a
localização do transmissor: segmento da LAN que chega
– Registra o par transmissor/localização na tabela
Quando um switch recebe um quadro:
indexa a tabela do switch usando end. MAC de destino
if entrada for encontrada para o destino
then{
if dest. no segmento deste quadro chegou
then descarta o quadro
else encaminha o quadro na interface indicada
}
else flood
Switches e roteadores
• Ambos são dispositivos store-and-forward
• Roteadores: dispositivos de camada de rede (examinam cabeçalhos da
camada de rede)
• Switches são dispositivos da camada de enlace
• Roteadores mantêm tabelas de roteamento, implementam algoritmos de
roteamento
• Switches mantêm tabelas de switch, implementam filtragem, algoritmos de
aprendizagem
Gigabit Ethernet
Gigabit Ethernet – 25m!
• 25m = Distância que permite detecção de erro
para transmissão de 64 bytes a 1Gbps
• Padrão: aumento para 200m
– Padding para 512B: eficiência de 9%!
– Envio em rajadas
• Na prática: conexão a switches
– Não ocorre colisão
– Alcance limitado pela atenuação
Porque somente 25m de alcance?
Características do padrão
IEEE 802.3
• Possui um comportamento não determinístico o que faz
com que o pior caso não seja conhecido a priori
Na prática depende de como o padrão é implementado
• Quadros não possuem prioridades
Token ring
• Não é adequado para aplicações de tempo real como o
padrão foi proposto
Na prática depende de como o padrão é implementado
53
Token ring
•
•
•
•
4-16 Mbps
Desenvolvida pela IBM
Suporta até 260 estações
Desenhada para redes com tráfego frequente de
dados
Token ring
• Regeneração do token: estação mestre
• Número de tokens variável em redes mais
rápidas
Passagem de fichas atualmente
• Redes de computadores – pouco uso
– Domínio da Ethernet e do WiFi
• Redes de automação industrial
Topologias
• Fim-a-fim: conexão um sensor com um
controlador
IEEE 802.11
Redes sem fio
• Infraestruturada:
– Backbone fixo, com fio
– Dispositivos móveis
comunicam diretamente com
os pontos de acesso (AP)
– Adequado para locais onde
APs podem ser instalados
Redes sem fio
• Sem infraestrutura (ad
hoc):
AP: Access Point
AP
AP
– Backbone sem fio
– Dispositivos móveis
comunicam diretamente
entre si:
AP
Infraestruturada
• Elementos são móveis e
servem como roteadores
– Fácil instalação
Ad hoc
67
Pilha de protocolos 802.11
68
Wireless LANs
A wireless LAN. (a) A transmitting. (b) B transmitting.
IEEE 802.11
Problema da estação escondida
• B transmite para A
• C deseja transmitir para A
• C não escuta transmissão de B
 Colisão
B
A
C
71
IEEE 802.11
Problema da estação exposta
•
•
•
•
A transmite para B
C deseja transmitir para D
C escuta transmissão de A
C espera
B
A
C
D
72
MACA – RTS/CTS
The MACA protocol. (a) A sending an RTS to B.
(b) B responding with a CTS to A.
802.11 – Espaço entre quadros
802.11 - modos
• DCF – contenção entre estações
• PCF – sem contenção
– Coordenador aloca transmissões
– Beacon
• Também serve para transmissão do SSID
802.11 - quadro
IEEE 802.16
802.16
802.16
Bluetooth (IEEE 802.15.3)
IEEE 802.15 e Bluetooth
• Padrão Bluetooth:
– Projetado para substituir cabos usados para
conectar diferentes dispositivos como telefone,
computador, câmera, impressora, máquinas de
café, etc
– Propõe uma solução (pilha) completa, i.e., da
camada física à camada de aplicação
– Bluetooth é uma rede ad hoc
• Padrão IEEE 802.15:
– Similar ao Bluetooth, exceto que trata apenas
das camadas física e MAC
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Piconet Bluetooth
Topologia de rede
• Exemplo de uma piconet onde
os círculos M (master), S
(slave), P (park) e Sb (standby)
representam um rádio
Bluetooth
• Rádios estão conectados entre
si numa piconet
Piconet
Scatternet
• Piconet formada por um rádio
mestre e até sete escravos
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90
Formação de uma rede
Formação de uma rede
• Rádios Bluetooth são simétricos
• Um dispositivo só pode ser o mestre em uma
dada piconet
– Qualquer rádio Bluetooth pode ser um mestre ou
um escravo
• Rádio Bluetooth precisa entender dois
parâmetros para formar uma piconet:
• A configuração da Piconet é determinada no
momento de sua formação
– Tipicamente, o rádio que estabelece a conexão é
o mestre
– A função de troca “mestre/escravo” permite que os
papéis sejam trocados
– “Padrão de pulo” (hopping pattern) do rádio que
se deseja conectar
– Fase dentro desse padrão
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Formação de uma rede
Formação de uma rede
• Rádio Bluetooth possui um identificador global
único que é usado para criar um padrão de pulo
• Uma estação é mestre somente durante uma
conexão
• Ao se formar uma piconet, o rádio mestre
– compartilha o identificador global com outros
rádios, que passam a ter o papel de escravos
– provê a todos os rádios o padrão correto de pulo
• Mecanismos de gerenciamento de enlace
permitem a unidades de rádio usar TDM e agir
como pontes entre piconets, formando uma
scatternet
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Bluetooth – pilha de
protocolos
Formação de uma rede
• Também existem mecanismos que permitem às
estações (mestre e escravo) requisitarem e
aceitarem novas conexões
• Objetivo é permitir a criação de múltiplos “cabos
virtuais” ao invés de uma substituição de um
único cabo
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Bluetooth - perfil
Quadros do bluetooth
Bridge
Equipamentos: bridges,
Switches...
Bridge – diferentes quadros
Ligação de redes com
bridges
Os equipamentos de uma
rede...