Ethernet

Redes de Computadores I
Nível de Enlace (Redes Ethernet & WiFi)
por
Helcio Wagner da Silva
. – p.1/35
Introdução
A Arquitetura TCP/IP não define muito bem o que deve
haver no Nível de Host/rede.
Neste contexto, coube ao IEEE definir padrões que hoje
são bastante conhecidos.
Internet
OSI
IEEE
802.1
Enlace
Host/rede
LLC
MAC
802.2
802.3 802.3u 802.3z
802.11 802.16
...
Físico
Ethernet
Gigabit Ethernet
Fast Ethernet
Wimax
WiFi
O Padrão IEEE 802 divide o Nível de Enlace em dois
Subníveis.
. – p.2/35
Introdução
O Controle Lógico de Enlace, ou LLC (Logical Link
Control), fornece uma interface única ao Nível de Rede.
O Controle de Acesso ao Meio, ou MAC (Medium Access
Control), é quem realmente estabelece como a máquina
comunica-se através da rede.
Uma dos padrões IEEE mais populares (e duradouros) é
o 802.3, também conhecido como Ethernet a .
a
Na verdade, o padrão IEEE 802.3 é ligeiramente diferente da Ethernet original.
. – p.3/35
Ethernet
(a) Ethernet DIX (DEC, Intel, Xerox)
8
6
6
Preâmbulo
2
0 a 1.500
0 a 46
4
Endereço
Endereço
de Destino de Origem
Tipo
Dados
Preench.
CRC
Endereço
Endereço
de Destino de Origem
Tam.
Dados
Preench.
CRC
(b) IEEE 802.3
S
Preâmbulo o
F
No padrão Ethernet, o preâmbulo (usado para fins de
sincronização) é formado por uma seqüência de 8 B, cada qual
obedecendo ao modelo 10101010.
No 802.3, a seqüência é diminuída para 7 B, seguidos pelo
Byte 10101011, denominado Start of Frame.
O campo Tipo (que informa para quem entregar um quadro)
foi substituído pelo campo Tamanho no 802.3.
. – p.4/35
Endereços
Os Endereços de Destino e Origem, também chamados
de Endereços MAC, contêm 6 B, cada.
Eles são caracteristicamente expressos como pares de
números hexadecimais, como 49-BD-D2-C7-56-2A,
por exemplo.
Os endereços são gravados permanentemente nas
placas de rede.
. – p.5/35
Tamanhos Máximo e Mínimo
O valor máximo para o campo de dados a (1.500 B) foi
definido historicamente, com base no custo elevado da
RAM na época do projeto da Ethernet.
O tamanho mínimo de um quadro b (64 B) foi definido
para que um remetente possa descobrir que um quadro
transmitido por ele sofreu uma colisão.
Caso o quadro não atinja esse tamanho, o campo
Preenchimento será então usado.
a
Esse valor é a MTU percebida pelo Nı́vel de Rede.
b
Levando-se em conta os campos definidos entre o Endereço de Destino e o
Checksum, inclusive os dois.
. – p.6/35
CRC & CSMA/CD
O campo CRC (Cyclic Redundancy Check) é usado para
a detecção a de erros.
Redes 802.3 operam com base no protocolo CSMA/CD
(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection).
a
Erros não são corrigidos em redes ethernet.
. – p.7/35
CSMA/CD: Transmissão Bem-sucedida
Quando "A" quer transmitir um quadro para "B", ele
inicialmente inspeciona o meio físico, buscando "detectar
uma portadora". Se não houver ninguém transmitindo...
A
B
... ele transmite o quadro para "B"
A
B
. – p.8/35
CSMA/CD: Transmissão Mal-sucedida
a
A
b
B
A
"B" detecta a colisão
Início da transmissão
A
B
"B" detecta o meio livre e
inicia a transmissão
B
A
B
"A" detecta a colisão
. – p.9/35
Tratamento de Colisões
Quando ocorre uma colisão, as estações executam um
algoritmo denominado Recuo Binário Exponencial.
Após a colisão, o tempo é dividido em slots discretos,
cujo comprimento é igual ao pior tempo de propagação
de ida e volta.
Depois da primeira colisão, cada estação espera 0 ou 1
slot antes de tentar novamente.
Se duas estações escolherem o mesmo número
aleatório, elas colidirão novamente.
Depois da segunda colisão, cada uma seleciona ao
acaso 0, 1 ou 3 slots e aguarda durante esse tempo.
. – p.10/35
Tratamento de Colisões
Se ocorrer uma terceira colisão, na próxima vez a
quantidade de slots que as estações terão que esperar
será escolhido ao acaso no intervalo de 0 a 23 − 1.
Em geral, após i colisões, é escolhido um número
aleatório entre 0 e 2i − 1 slots.
Entretanto, após terem sido alcançadas dez colisões, o
intervalo de randomização será congelado em 1.023
slots.
Após 16 colisões, as tentativas de transmissão são
definitivamente abortadas.
. – p.11/35
Cabeamento
As redes 802.3 acomodam diversos tipos de
cabeamento.
Nome
Cabo
Distmax
Nós/seg.
10Base5
Coaxial grosso
500 m
100
10Base2
Coaxial fino
185 m
30
10Base-T
Par trançado
100 m
1.024
10Base-F
Fibra óptica
2.000 m
1.024
Dentre as opções acima, a mais popular é a 10Base-T,
na qual as estações se conectam a um hub central.
. – p.12/35
Codificação
As redes 802.3 não usam uma codificação direta, com 0
volt para representar um bit 0 e 5 volts para representar
um bit 1, pois isso gera ambiguidade.
Se uma estação enviar uma string 00010000, outras
poderão interpretá-la erroneamente como 10000, pois
não conseguem discenir entre uma estação inativa (0
volt) e um bit 0 (0 volt).
Esse problema pode ser resolvido usando-se, por
exemplo, +1 volt para representar um bit 1 e −1 volt para
representar um bit 0.
Mesmo assim, o receptor pode ter problemas para
delinear o início e fim de cada bit.
. – p.13/35
Codificação
A solução final para estes problemas veio com o uso da
Codificação Manchester.
1
0
0
0
0
1
0
1
1
1
1
+1 V
0V
Codificação Binária
−1 V
0V
−1 V
Codificação Manchester
Os valores alto e baixo para o 802.3 correspondem a ±
0,85 V.
. – p.14/35
Colisões & Equipamentos de Interconexão
Tipicamente, estações vão sendo adicionadas, uma a
uma, em hubs.
Hub
Domínio de colisão
. – p.15/35
Colisões & Equipamentos de Interconexão
Hubs podem, inclusive, ser cascateados.
Hub
Hub
Hub
Hub
Domínio de colisão
. – p.16/35
Colisões & Equipamentos de Interconexão
Deve-se ter em mente que, neste tipo de configuração,
permanece ainda existindo um único Domínio de
Colisão.
Ou seja, à medida em mais máquinas são adicionadas,
maior será a probabilidade da ocorrência de colisões.
A solução imediata para este problema de escalabilidade
é a utilização de equipamentos chamados switches.
Os switches são comutadores que operam no Nível de
Enlace, em oposição aos roteadores, que operam no
Nível de Rede.
. – p.17/35
Colisões & Equipamentos de Interconexão
Hub
Domínio de colisão
Hub
Hub
Domínio de colisão
Domínio de colisão
. – p.18/35
Fast Ethernet
A Ethernet clássica opera a 10 Mbps.
A demanda por maiores taxas fez surgir em 1995 o
padrão 802.3u, também conhecido como Fast Ethernet.
O formato do quadro, as interfaces e os procedimentos
do 802.3 são idênticos ao do 802.3u.
O que se fez foi apenas diminuir o tempo de bit, de
100 ns para 10 ns.
O padrão Fast Ethernet permite também que duas
estações negociem de forma automática a taxa de
operação (10 ou 100 Mbps) e o tipo de comunicação
(half-duplex ou full-duplex).
. – p.19/35
Fast Ethernet - Cabeamento
Assim como ocorre com o 802.3, o 802.3u permite vários
tipos de cabeamento.
Nome
Cabo
Dmax
100Base-T4
Par trançado
100 m
100Base-TX
Par trançado
100 m
100Base-FX
Fibra óptica
2.000 m
. – p.20/35
Gigabit Ethernet
À despeito da Fast Ethernet, a demanda por taxas
(ainda) maiores continuava.
O resultado foi o surgimento, em 1998, do 802.3z,
denominado Gigabit Ethernet.
A taxa de operação do 802.3z (1 Gbps) exige a adoção
de certas estratégias para que as distâncias usadas
pelos padrões anteriores permaneçam em uso.
A primeira, Extensão de Portadora, é a inserção e
remoção de Bytes em um quadro, estendendo-o a 512 B.
A segunda, Rajada de Quadros, é o envio de uma
seqüência de quadros em uma única transmissão.
. – p.21/35
Gigabit Ethernet - Cabeamento
Tipos de cabeamento permitidos:
Nome
Cabo
Dmax
1000Base-SX
Fibra óptica
550 m
1000Base-LX
Fibra óptica
5.000 m
1000Base-CX
2 pares de STP
25 m
1000Base-T
4 pares de UTP
100 m
. – p.22/35
WiFi
À despeito do aumento da taxa de transmissão, os
proprietários de notebooks sonhavam com conectividade
instantânea.
Como resposta, surgiram várias propostas, naturalmente
incompatíveis entre si.
A demanda por padronização levou o IEEE à produção
do padrão 802.11, também conhecido como WiFi.
Configurações possíveis:
Redes com uma estação-base;
Redes Ad-hoc.
. – p.23/35
Redes com uma estação-base
... rede
cabeada
Uma estação-base, denominada Ponto de Acesso,
define uma célula, também chamada Conjunto Básico
de Serviço.
. – p.24/35
Redes com uma estação-base
Portal
Ethernet
Estação
Base
célula
Múltiplos Pontos de Acesso podem ser ligados para
formar o que é chamado de Sistema de Distribuição.
. – p.25/35
Redes Ad-hoc
Ad hoc significa, em latim, para isto.
Redes Ad hoc não requerem infra-estrutura pré-existente.
. – p.26/35
O Problema da Estação Oculta
"A" quer transmitir para "B",
mas não pode ouvir que
"B" está ocupada
A
B
Alcance do
rádio de "C"
C
"C" está transmitindo
. – p.27/35
O Problema da Estação Exposta
"B" quer transmitir para "C",
mas pensa erroneamente
que "C" está ocupada
Alcance do
rádio de "A"
A
B
C
"A" está transmitindo
. – p.28/35
Modos de Operação
Dois modos de operação são permitidos:
PCF (Point Coordination Function);
DCF (Distributed Coordination Function).
No PCF, a estação-base realiza um polling junto às
outras estações, perguntando se há quadros a enviar.
A estação-base é responsável pelo convite a novas
estações e pela gerência de energia das estações.
Todas as implementações devem aceitar o DCF, mas o
PCF é opcional.
Quando se usa o DCF, o 802.11 usa um protocolo
chamado CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance).
. – p.29/35
CSMA/CA - Detecção de Canal Virtual
Request To Send
RTS
Dados
A
sentido
da
transmissão
Acknowledgement
CTS
Cleared To Send
ACK
B
NAV
C
(No alcance de "A")
NAV
D
(No alcance de "B")
Network Allocation Vector
. – p.30/35
CSMA/CA - Fragmentação
O ambiente ruidoso encoraja a fragmentação de dados.
RTS
Frag1
Frag2
Frag3
A
sentido
da
transmissão
CTS
ACK
ACK
ACK
B
NAV
C
(No alcance de "A")
NAV
D
(No alcance de "B")
. – p.31/35
Coexistência PCF & DCF
(Short InterFrame Spacing)
Quadros de controle ou próximo fragmento
pode ser enviado aqui
SIFS
(PCF InterFrame Spacing)
Quadros PCF podem ser enviados aqui
PIFS
(DCF InterFrame Spacing)
Quadros DCF podem ser enviados aqui
(Extended InterFrame Spacing)
DIFS
A recuperação de quadros
defeituosos é feita aqui
EIFS
ACK
. – p.32/35
Quadros 802.11
Há três classes de quadros em trânsito: dados, controle
e gerência.
Bytes
Bits
2
2
Controle
de quadro
Duração
2
2
Versão
Tipo
6
6
6
2
Endereço Endereço Endereço Seq
1
2
3
4
SubTipo
1
1
1
Para
DS
De
DS
MF
1
1
6
0−2312
4
Endereço
3
Dados
Checksum
1
Re− Po−
petir tência Mais
1
1
W
O
Versão −→ permite a operação de duas versões do protocolo
simultaneamente.
Tipo −→ dados, controle ou gerência.
Subtipo −→ p.ex., RTS ou CTS.
. – p.33/35
Quadros 802.11
MF −→ indica se haverá mais fragmentos
Repetir −→ indica uma retransmissão.
Potência −→ usado para pôr/retirar a estação no/do estado de
espera.
Mais −→ indica que a estação tem mais quadros a transmitir.
W −→ indica que o corpo do quadro foi criptografado com o algoritmo
WEP (Wired Equivalent Privacy).
O −→ indica que uma seqüência de quadros com esse bit devem ser
processada estritamente em ordem.
Duração −→ informa por quanto tempo o quadro e seu
reconhecimento ocuparão o canal.
Seqüência −→ permite numerar os quadros (12 bits) e seus
fragmentos (4 bits).
. – p.34/35
Versões do WiFi
Níveis superiores
LLC
MAC
802.11
Infra−
vermelho
802.11
FHSS
802.11
DSSS
entre 1 e 2 Mbps
802.11a 802.11b 802.11g Nível
OFDM HR−DSSS OFDM Físico
54 Mbps na banda
ISM de 2,4 GHz
54 Mbps na banda
ISM de 5 GHz
54 Mbps na banda
ISM de 2,4 GHz
. – p.35/35