Redes-06-Camada-de-Enlace - Arquitetura de Rede (2024)

A Camada de Enlace e LANs

Redes de Computadores

Nota: a maioria dos slides dessa apresentação são traduzidos ou adaptados dos slides disponibilizados gratuitamente

pelos autores do livro KUROSE, James F. e ROSS, Keith W. Computer Networking: A Top-Down Approach. 8th Edition.

Pearson, 2020. Todo o material pertencente aos seus respectivos autores está protegido por direito autoral.

Fabricio Breve

www.fabriciobreve.com

https://amzn.to/3nYmeVO

http://www.fabriciobreve.com/

Computer Networking: A

Top-Down Approach

8th edition

Jim Kurose, Keith Ross

Pearson, 2020

Chapter 6

The Link Layer

and LANs

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readers). They’re in PowerPoint form so you see the animations; and

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Camada de enlace e LANs: nossos objetivos

▪entender os princípios por

trás dos serviços da camada

de enlace:

• detecção e correção de erros

• compartilhar um canal de

difusão (broadcast): acesso

múltiplo

• endereçamento da camada de

enlace

• redes locais: Ethernet, VLANs

▪redes de datacenter

▪ instanciação e implementação

de várias tecnologias de

camada de enlace

Link Layer: 6-3

Camada de enlace, LANs: roteiro

▪ um dia na vida de uma

requisição da web

▪ introdução

▪ detecção e correção de erros

▪ protocolos de acesso múltiplo

▪ LANs

• endereçamento, ARP

• Ethernet

• comutadores (switches)

• VLANs

▪ virtualização de enlaces: MPLS

▪ redes em data centers

Link Layer: 6-4

Camada de enlace: introdução

terminologia:

▪ hospedeiros e roteadores: nós

▪ canais de comunicação que

conectam nós adjacentes ao longo

do caminho de comunicação:

enlaces

• com fio, sem fio

• LANs

▪ pacote de camada 2: quadro,

encapsula datagrama

rede móvel

rede

empresarial

ISP global ou nacional

rede de

datacenter

camada de enlace tem a responsabilidade

de transferir datagramas de um nó para

outro nó fisicamente adjacente através de

um enlace

Link Layer: 6-5

Camada de enlace: contexto

▪ datagrama transferido por

diferentes protocolos de

enlace sobre diferentes

enlaces:

• por exemplo, WiFi no primeiro

enlace, Ethernet no próximo

▪ cada protocolo de enlace

fornece serviços diferentes

• por exemplo, pode ou não

fornecer transferência de

dados confiável sobre o

enlace

Link Layer 6

Analogia de transporte

analogia de transporte:

▪ viagem de Princeton a Lausana

• táxi: de Princeton para o JFK

• avião: do JFK para Genebra

• trem: de Genebra para Lausana

▪ turista = datagrama

▪ segmento de transporte =

enlace de comunicação

▪ modo de transporte = protocolo

da camada de enlace

▪ agente de viagens = algoritmo

de roteamento

Princeton

JFK

Genebra Lausana

Link Layer 7

Camada de enlace: serviços

▪ Enquadramento e acesso ao enlace:

• encapsulamento do datagrama no quadro,

adicionando cabeçalho e trailer

• acesso ao canal se o meio for compartilhado

• os endereços “MAC” nos cabeçalhos dos

quadros identificam a origem e o destino

(diferente dos endereços IP!)

▪ entrega confiável entre nós adjacentes

• já sabemos como fazer isso!

• raramente usado em enlaces com poucos

erros de bits

• enlaces sem fio: altas taxas de erro

• Q: por que a confiabilidade tanto no

nível de enlace quanto fim a fim?

…

Link Layer: 6-8

acesso por Cabo

celular

WiFi

LANs Ethernet

Camada de enlace: serviços (mais)

▪ controle de fluxo:

• ritmo entre os nós de envio e recebimento

adjacentes

▪ detecção de erro:

• erros causados pela atenuação do sinal e

ruído.

• o receptor detecta erros, sinaliza para

retransmissão ou descarta o quadro

▪ correção de erro:

• receptor detecta e corrige erro(s) de bit(s)

sem retransmissão

▪ half-duplex e full-duplex:

• com half duplex, os nós em ambas as

extremidades do enlace podem transmitir,

mas não ao mesmo tempo

…

Link Layer: 6-9

acesso por Cabo

celular

WiFi

LANs Ethernet

Onde a camada de enlace é implementada?

▪ em todo e cada hospedeiro

▪ camada de enlace implementada

na placa de interface de rede (NIC

– network interface card) ou em

um chip

• placa ou chip Ethernet ou WiFi

• implementa as camadas de enlace e

física

▪ se conecta aos barramentos do

sistema do hospedeiro

▪ combinação de hardware,

software, e firmware

controlador

física

cpu memória

barramento do

hospedeiro

(ex.: PCI)

interface de rede

aplicação

transporte

rede

enlace

física

Link Layer: 6-10

controlador

física

memoria CPU

Interfaces de comunicação

controlador

física

cpu memoria

aplicação

transporte

rede

enlace

física

aplicação

transporte

rede

enlace

física

lado emissor:

▪ encapsula datagrama no quadro

▪ adiciona bits de verificação de erros,

transferência confiável de dados,

controle de fluxo, etc.

lado receptor:

▪ procura por erros, transferência

confiável de dados, controle de

fluxo, etc.

▪ extrai o datagrama, passa para a

camada superior no lado receptor

enlhenl.h datagrama

datagrama

Link Layer: 6-11

Camada de enlace, LANs: roteiro

▪ um dia na vida de uma

requisição web

▪ introdução

▪detecção e correção de

erros

▪ protocolos de acesso múltiplo

▪ LANs

• endereçamento, ARP

• Ethernet

• comutadores (switches)

• VLANs

▪ virtualização de enlaces: MPLS

▪ redes em data centers Link Layer: 6-12

Detecção de erro

Link Layer: 6-13

EDC: error detection and correction bits (bits de detecção e correção de erros,

por exemplo: redundância)

D: dados protegidos por verificação de erros, pode incluir campos de cabeçalho

Detecção de erros não é

100% confiável!

▪ protocolo pode perder

alguns erros, mas

raramente

▪ campo EDC maior

produz melhor

detecção e correção

datagrama

D EDC

d bits de

dados

enlace propenso a erros de bits

D’ EDC’

todos

os bits em

D’ OK

erro

detectado

caso

contrário

datagrama

Verificação de

paridade

paridade de bit único:

▪ detecta erros de um único bit

0111000110101011 1

bit de paridade

d bits de

dados

Pode detectar e corrigir erros (sem

retransmissão!)

▪paridade bi-dimensional: detecta e

corrige erros de um único bit

d1,1

d2,1

di,1

. . .

d1,j+1

d2,j+1

di,j+1

. . .

d1,j

d2,j

di,j

. . .

di+1,1 di+1,j+1di+1,j

. . .

paridade de linha

paridade

de coluna

0 0 1 0 1

0 1 1 1 0

1 0 1 0 1

1 1 1 1 0

sem erros:

erro de

paridade

erro de

paridade

0 1 1 1 0 1

1 0 1 0 1 1

1 0 1 1 0 0

0 0 1 0 1 0

single-bit

erros de

único bit

detectados

corrigíveis

Paridade par/ímpar: defina o bit de

paridade para que haja um número

par de 1s

* Confira os exercícios interativos online para mais exemplos: http://gaia.cs.umass.edu/kurose_ross/interactive/

No receptor:

▪ compute paridade de d bits

recebidos

▪ compare com o bit de paridade

recebido – se for diferente

então um erro foi detectado

Soma de verificação da Internet (revisão, veja seção 3.3)

emissor:

▪ trata o conteúdo do segmento

UDP ou TCP (incluindo campos de

cabeçalho UDP ou TCP e endereços

IP) como sequências de

inteiros de 16 bits

▪ soma de verificação: adição

(soma do complemento de um) do

conteúdo do segmento

▪ valor da soma de verificação

colocado no campo de soma

de verificação do UDP ou TCP

receptor:

▪ calcula a soma de verificação do

segmento recebido

▪ verifica se a soma de verificação

calculada é igual ao

valor do campo

da soma de verificação:

• diferente - erro detectado

• igual - nenhum erro detectado. Mas

talvez existam erros mesmo assim? Já

vimos que sim!

Objetivo: detectar erros (ou seja, bits invertidos) no segmento

transmitido

Transport Layer: 3-15

Cyclic Redundancy Check (CRC - Verificação de

Redundância Cíclica)

▪ codificação de detecção de erros mais poderosa

▪ D: bits de dados (fornecido, pense neles como um número binário)

▪ G: padrão de bits (gerador), de r+1 bits (fornecido, especificado no padrão do

CRC)

Link Layer: 6-16

objetivo: computar r bits de CRC, R, tal que seja exatamente divisível por

G (mod 2)

• receptor conhece G, divide por G. Se o resto for diferente de zero: erro

detectado!

• pode detectar todos os erros de rajada menores que r+1 bits

• amplamente utilizado na prática (Ethernet, 802.11 WiFi)

r CRC bits

d bits de dados

D R

= D 2r XOR R *

padrão de bits

fórmula para padrão de bits

Link Layer: 6-17

Cyclic Redundancy Check (CRC): exemplo

Queremos computar R tal que:

D.2r XOR R = nG

* Confira os exercícios interativos online para mais exemplos: http://gaia.cs.umass.edu/kurose_ross/interactive/

D.2r

R = resto [ ]

...ou equivalentemente (XOR R em

ambos os lados):

D.2r = nG XOR R

...o que significa:

se dividirmos D.2r por G,

queremos o resto R que

satisfaça:

1 0 0 1

1 0 1 0

1 0 1

0 0 0

1 0 0 1

0 0 0

1 1 0

1 1 0 0

1 0 1 0

0 1 1

1 0 0 1

0 0 01 0 1 1 1 0

(aqui, r=3)*

1 0 1

algoritmo para

computar R

CRC: outro exemplo

Andrew S. Tanenbaum,

Computer Networks, 4ed,

Prentice Hall Professional, 2003

Camada de enlace, LANs: roteiro

▪ um dia na vida de uma

requisição web

▪ introdução

▪ detecção e correção de erros

▪protocolos de acesso

múltiplo

▪ LANs

• endereçamento, ARP

• Ethernet

• comutadores (switches)

• VLANs

▪ virtualização de enlaces: MPLS

▪ redes em data centers Link Layer: 6-19

Enlaces e protocolos de acesso múltiplo

Link Layer: 6-20

dois tipos de “enlaces”:

▪ ponto a ponto

• enlace ponto a ponto entre comutador Ethernet e hospedeiro

• PPP para acesso discado

▪ difusão (broadcast - fio ou mídia compartilhados)

• Ethernet à moda antiga

• upstream de HFC em rede de acesso baseada em cabo

• LAN sem fio 802.11, 4G/5G, satélite

fio compartilhado

(por exemplo,

Ethernet cabeada)

rádio compartilhado:

WiFi

rádio compartilhado:

satélite

humanos em um coquetel (ar e

acústica compartilhados)

rádio compartilhado:

4G/5G

Protocolos de acesso múltiplo

Link Layer: 6-21

▪ único canal de transmissão compartilhado

▪ duas ou mais transmissões simultâneas por nós: interferência

• colisão se o nó recebe dois ou mais sinais ao mesmo tempo

▪ algoritmo distribuído que determina como os nós compartilham

o canal, ou seja, determina quando o nó pode transmitir

▪ comunicação sobre compartilhamento de canal deve usar o

próprio canal!

• nenhum canal fora de banda para coordenação

protocolo de acesso múltiplo

Um protocolo de acesso múltiplo ideal

Link Layer: 6-22

dado: canal de acesso múltiplo (MAC) de taxa R bps

desejado:

1. quando um nó quer transmitir, ele pode enviar na taxa R.

2. quando M nós querem transmitir, cada um pode enviar a uma

taxa média R/M

3. totalmente descentralizado:

• nenhum nó especial para coordenar as transmissões

• sem sincronização de clocks ou intervalos (slots)

4. simples

Protocolos MAC: taxonomia

Link Layer: 6-23

três grandes classes:

▪ particionamento de canal

• divide o canal em “pedaços” menores (intervalos de tempo,

frequência, ou código)

• aloca pedaço ao nó para uso exclusivo

▪ acesso aleatório

• canal não dividido, permite colisões

• se “recupera” de colisões

▪ “revezamento”

• os nós se revezam, mas os nós com mais para enviar podem ter turnos

mais longos

Protocolos MAC de particionamento de canal:

TDMA

Link Layer: 6-24

TDMA: time division multiple access (acesso múltiplo por

divisão de tempo)

▪ acesso ao canal em “rodadas”

▪ cada estação recebe um slot de comprimento fixo (comprimento =

tempo de transmissão do pacote) em cada rodada

▪ slots não utilizados ficam ociosos

▪ exemplo: LAN de 6 estações, 1,3,4 têm pacotes para enviar, slots

2,5,6 inativos

1 3 4 1 3 4

quadro

de 6 slots

quadro

de 6 slots

Protocolos MAC de particionamento de canal:

FDMA

Link Layer: 6-25

FDMA: frequency division multiple access (acesso múltiplo

por divisão de frequência)

▪ espectro de canal dividido em bandas de frequência

▪ para cada estação é atribuída uma banda de frequência fixa

▪ o tempo de transmissão não utilizado nas bandas de frequência fica ocioso

▪ exemplo: LAN de 6 estações, 1,3,4 tem pacote para enviar, bandas de

frequência 2,5,6 ociosas

cabo FDM

Protocolos de acesso aleatório

Link Layer: 6-26

▪ quando o nó tem pacote para enviar

• transmite na taxa de dados total do canal R.

• sem coordenação a priori entre nós

▪ dois ou mais nós transmitindo: “colisão”

▪ protocolos MAC de acesso aleatório especificam:

• como detectar colisões

• como se recuperar de colisões (por exemplo, por meio de

retransmissões atrasadas)

▪ exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório:

• ALOHA, slotted ALOHA

• CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA

Slotted ALOHA

Link Layer: 6-27

suposições:

▪ todos os quadros do mesmo

tamanho

▪ tempo dividido em slots de

tamanhos iguais (tempo para

transmitir 1 quadro)

▪ os nós começam a transmitir

apenas o início do slot

▪ os nós são sincronizados

▪ se 2 ou mais nós transmitem no

mesmo slot, todos os nós

detectam a colisão

operação:

▪ quando um nó obtém um novo

quadro, transmite no próximo

slot

• se não houver colisão: o nó

pode enviar um novo quadro

no próximo slot

• se houver colisão: o nó

retransmite quadro em cada

slot subsequente com

probabilidade p até o sucesso

aleatoriedade – por quê?

t0 t0+1

Slotted ALOHA

Link Layer: 6-28

Prós:

▪ único nó ativo pode transmitir

continuamente na taxa total do

canal

▪ altamente descentralizado:

apenas os slots nos nós precisam

estar sincronizados

▪ simples

Contras:

▪ colisões, desperdício de slots

▪ slots ociosos

▪ os nós podem ser capazes de detectar

colisões em menos tempo do que o

tempo necessário para transmitir um

pacote

▪ sincronismo de clock

1 1 1 1

2 2

3 3

nó 1

nó 2

nó 3

C C CS S SE E E

C: colisão

S: sucesso

E: vazio

eficiência: fração de longo prazo de slots bem-sucedidos (muitos nós,

todos com muitos quadros para enviar)

▪ suposição: N nós com muitos quadros para enviar, cada um

transmite em um slot com probabilidade p

• probabilidade que um determinado nó tenha sucesso em um slot =

p(1-p)N-1

• probabilidade de que qualquer nó tenha um sucesso = Np(1-p)N-1

• eficiência máxima: encontre p* que maximiza Np(1-p)N-1

• para muitos nós, tomando o limite de Np*(1-p*)N-1 conforme N tende

ao infinito, temos:

eficiência máxima = 1/e = .37

▪ na melhor hipótese: canal usado para transmissões úteis 37% do tempo!

Slotted ALOHA: eficiência

Link Layer: 6-29

ALOHA puro

Link Layer: 6-30

▪ Aloha sem slots: mais simples, sem sincronização

• quando primeiro quadro chega: transmite imediatamente

▪ probabilidade de colisão aumenta sem sincronização :

• quadro enviado em t0 colide com outros quadros enviados em [t0-

1,t0+1]

t0 + 1t0 - 1 t0

irá se sobrepor

ao final do

quadro i

irá se sobrepor

com o início do

quadro i

▪ eficiência do Aloha puro: 18% !

CSMA (carrier sense multiple access)

Link Layer: 6-31

CSMA simples: ouça antes de transmitir:

• se o canal estiver ocioso: transmita o quadro inteiro

• se o canal estiver ocupado: adie a transmissão

▪ analogia humana: não interrompa os outros!

CSMA/CD: CSMA com detecção de colisão

• colisões detectadas em pouco tempo

• transmissões colidindo são abortadas, reduzindo o desperdício

de canal

• detecção de colisão é fácil com fio e difícil sem fio

▪ analogia humana: o conversador

educado

CSMA: colisões

Link Layer: 6-32

▪ colisões ainda podem ocorrer com

detecção de portadora:

• atraso de propagação implica que

dois nós podem não ouvir a

transmissão recém-iniciada um do

outro

▪ colisão: todo o tempo de

transmissão do pacote é

desperdiçado

• distância e atraso de propagação

desempenham um papel na

determinação da probabilidade de

colisão

layout espacial dos nós

CSMA/CD:

Link Layer: 6-33

▪ CSMA/CD reduz a quantidade de

tempo desperdiçado em colisões

• transmissão abortada na detecção de

colisão

layout espacial dos nós

Algoritmo do Ethernet CSMA/CD

Link Layer: 6-34

1. Ethernet recebe datagrama da camada de rede e cria quadro

2. Se a Ethernet detectar o canal:

ocioso: inicia transmissão do quadro.

ocupado: espera até o canal ficar ocioso e então transmite

3. Se o quadro inteiro foi transmitido sem colisão – acabou!

4. Se outra transmissão foi detectada enquanto enviando: aborta e envia sinal de

congestionamento

5. Após abortar, entra em backoff binário (exponencial):

• após a m-ésima colisão, escolhe um K aleatório de {0,1,2, …, 2m-1}. A Ethernet

espera K·512 bits de tempo, e retorna ao Passo 2

• mais colisões: intervalo de backoff mais longo

Eficiência do CSMA/CD

Link Layer: 6-35

▪ Tprop = atraso máximo de propagação entre 2 nós na LAN

▪ ttrans = tempo para transmitir um quadro de tamanho máximo

▪ eficiência tende a 1

• conforme tprop tende a 0

• conforme ttrans tende ao infinito

▪ melhor desempenho que ALOHA: e simples, barato, descentralizado!

𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =

1 + 5𝑡𝑝𝑟𝑜𝑝/𝑡𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠

Protocolos MAC de “revezamento”

Link Layer: 6-36

protocolos MAC de particionamento de canal:

▪ compartilha canal de forma eficiente e justa com alta carga

▪ ineficiente em baixa carga: atraso no acesso ao canal, largura de

banda de 1/N alocada mesmo se há apenas 1 nó ativo!

protocolos MAC de acesso aleatório

▪ eficiente em baixa carga: um único nó pode utilizar totalmente o

canal

▪ alta carga: sobrecarga de colisão

protocolos de “revezamento”

▪ procuram o melhor dos dois mundos!

Protocolos MAC de “revezamento”

Link Layer: 6-37

polling:

▪ nó mestre “convida” outros nós

para transmitir em rodadas

▪ normalmente usado com

dispositivos “burros”

▪ preocupações :

• sobrecarga de polling

• latência

• ponto único de falha (mestre)

▪ Bluetooth usa polling

mestre

escravos

poll

dados

Protocolos MAC de “revezamento”

Link Layer: 6-38

passagem de token:

▪ token de controle passado de

um nó para o próximo,

sequencialmente.

▪ transmite enquanto estiver

segurando o token

▪ preocupações:

• sobrecarga do token

• latência

• ponto único de falha (token)

dados

(nada a

enviar)

Rede de acesso a cabo: FDM, TDM e acesso aleatório!

Link Layer: 6-39

cable headend

CMTS

ISP cable modem

termination system

cable

modem

splitter

…

Quadros de Internet, canais de TV, e de controle transmitidos em

downstream em diferentes frequências

▪ múltiplos canais FDM de downstream (broadcast): até 1,6 Gbps/canal

▪ único CMTS transmite nos canais

▪ múltiplos canais upstream (até 1 Gbps/canal)

▪ acesso múltiplo: todos os usuários disputam (acesso aleatório) por

determinados intervalos de tempo do canal de upstream; outros são

atribuídos por TDM

quadros de Internet e controle de TV transmitidos

upstream em diferentes frequências e slots de tempo

Rede de acesso a cabo:

Link Layer: 6-40

DOCSIS: data over cable service interface specification

(especificação de interface para serviço de dados sobre cabo)

▪ FDM sobre canais de frequência upstream e downstream

▪ TDM no upstream: alguns slots atribuídos, alguns têm contenção

• quadro MAP de downstream: atribui slots upstream

• solicitação de slots upstream (e dados) transmitidos com acesso aleatório

(recuo binário) em slots selecionados

Residences with cable modems

Canal de downstream i

Canal de upstream j

quadro MAP para

Intervalo [t1, t2]

t1 t2

Minislots atribuídos contendo quadros

de dados upstream de modem a cabo

Minislots contendo quadros

de solicitação de minislots

cable headend

CMTS

Resumo dos protocolos MAC

Link Layer: 6-41

▪ particionamento de canal, por tempo, frequência, ou código

• Time Division, Frequency Division

▪ acesso aleatório (dinâmico),

• ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD

• detecção de portadora: fácil em algumas tecnologias (com fio),

difícil em outras (sem fio)

• CSMA/CD usado na Ethernet

• CSMA/CA usado no 802.11

▪ revezamento

• polling de site central, passagem de token

• Bluetooth, FDDI, token ring

Camada de enlace, LANs: roteiro

▪ um dia na vida de uma

requisição web

▪ introdução

▪ detecção e correção de erros

▪ protocolos de acesso múltiplo

▪ LANs

• endereçamento, ARP

• Ethernet

• comutadores (switches)

• VLANs

▪ virtualização de enlaces: MPLS

▪ redes de data center

Link Layer: 6-42

Endereços MAC

Link Layer: 6-43

▪ endereço IP de 32 bits:

• endereço da camada de rede para interface

• usado para encaminhamento de camada 3 (camada de rede)

• ex.: 128.119.40.136

▪ endereço MAC (ou LAN ou físico ou Ethernet):

• função: usado “localmente” para enviar um quadro de uma interface para

outra interface conectada fisicamente (mesma sub-rede, no sentido de

endereçamento IP)

• endereço MAC de 48 bits (para a maioria das LANs) gravado na ROM da

NIC, também às vezes configurável por software

notação hexadecimal (base 16)

(cada “numeral” representa 4 bits)

• ex.: 1A-2F-BB-76-09-AD

Endereços MAC

Link Layer: 6-44

cada interface na LAN

▪ tem endereço MAC único de 48 bits

▪ tem um endereço IP de 32 bits localmente único (como vimos)

1A-2F-BB-76-09-AD

58-23-D7-FA-20-B0

0C-C4-11-6F-E3-98

71-65-F7-2B-08-53

LAN

(com ou sem fio)

137.196.7/24

137.196.7.78

137.196.7.14

137.196.7.88

137.196.7.23

Endereços MAC

Link Layer: 6-45

▪ alocação de endereços MAC administrada pelo IEEE

▪ fabricante compra parte do espaço de endereço MAC

(para garantir exclusividade)

▪ analogia:

• endereço MAC: como o CPF

• endereço IP: como o endereço postal

▪endereço MAC fixo: portabilidade

• pode-se mover a interface de uma LAN para outra

• lembre-se de que os endereços IP não são portáveis:

dependem da sub-rede IP à qual o nó está conectado

ARP: address resolution protocol (protocolo de

resolução de endereço)

Link Layer: 6-47

Tabela ARP: cada nó IP (hospedeiro,

roteador) na LAN tem uma tabela

Questão: como determinar o endereço MAC da interface, conhecendo seu

endereço IP?

1A-2F-BB-76-09-AD

58-23-D7-FA-20-B0

0C-C4-11-6F-E3-98

71-65-F7-2B-08-53

LAN

137.196.7.78

137.196.7.14

137.196.7.88

137.196.7.23

ARP

• Mapeamentos de endereços

IP/MAC para alguns nós da LAN:

• TTL (Time To Live): tempo após o

qual o mapeamento de endereços

será esquecido (normalmente 20

minutos)

Protocolo ARP em ação

Link Layer: 6-48

58-23-D7-FA-20-B0

137.196.7.14

71-65-F7-2B-08-53

137.196.7.23

Tabela ARP em A

End. IP End. MAC TTL

exemplo: A quer enviar datagrama para B

• O endereço MAC de B não está na tabela ARP de A, então A usa o ARP para encontrar o endereço

MAC de B

A transmite (broadcast) a consulta

ARP, contendo o endereço IP de B

• endereço MAC de destino = FF-

FF-FF-FF-FF-FF

• todos os nós na LAN recebem a

consulta ARP

MAC de origem: 71-65-F7-2B-08-53

IP de origem: 137.196.7.23

Endereço IP de destino: 137.196.7.14

…

Quadro Ethernet (enviado para FF-FF-FF-FF-FF-FF)

Protocolo ARP em ação

Link Layer: 6-49

58-23-D7-FA-20-B0

137.196.7.14

TTL

71-65-F7-2B-08-53

137.196.7.23

Tabela ARP em A

End. IP End. MAC TTL

exemplo: A quer enviar datagrama para B

• O endereço MAC de B não está na tabela ARP de A, então A usa o ARP para encontrar o endereço

MAC de B

B responde a A com resposta

ARP, fornecendo seu endereço

MAC

Endereço IP de destino : 137.196.7.23

Endereço MAC de destino:

71-65-F7-2B-08-53

…

Mensagem ARP no quadro Ethernet

(enviada para 71-65-F7-2B-08-53)

Protocolo ARP em ação

Link Layer: 6-50

58-23-D7-FA-20-B0

137.196.7.14

TTL

71-65-F7-2B-08-53

137.196.7.23

Tabela ARP em A

End. IP End. MAC TTL

exemplo: A quer enviar datagrama para B

• O endereço MAC de B não está na tabela ARP de A, então A usa o ARP para encontrar o endereço

MAC de B

A recebe a resposta de B,

adiciona a entrada B em sua

tabela ARP local

137.196.

7.14

58-23-D7-FA-20-B0 500

PS C:\Users\fbrev> arp -a

Interface: 192.168.50.74 --- 0x6

Endereço IP Endereço físico Tipo

192.168.50.1 18-31-bf-35-4d-48 dinâmico

192.168.50.2 d8-50-e6-d0-f6-40 dinâmico

192.168.50.5 04-d9-f5-85-20-a2 dinâmico

192.168.50.17 00-11-32-2a-1d-3c dinâmico

192.168.50.45 54-60-09-ad-cf-8c dinâmico

192.168.50.58 00-11-32-8b-8d-47 dinâmico

192.168.50.61 f0-5c-77-03-ec-ca dinâmico

192.168.50.89 70-77-81-fe-b4-9b dinâmico

192.168.50.100 74-d0-2b-2c-8a-9d dinâmico

192.168.50.107 70-74-14-01-84-71 dinâmico

192.168.50.115 48-b0-2d-65-84-6d dinâmico

192.168.50.132 8c-fa-ba-89-9e-31 dinâmico

192.168.50.158 3c-07-71-01-9b-20 dinâmico

192.168.50.159 a8-13-74-7b-d8-a9 dinâmico

192.168.50.160 44-09-b8-1e-b2-95 dinâmico

192.168.50.163 04-5d-4b-f0-55-bc dinâmico

192.168.50.165 a8-9c-ed-8a-34-8a dinâmico

192.168.50.178 a4-77-33-38-14-b0 dinâmico

192.168.50.245 b0-4f-13-f0-9b-76 dinâmico

192.168.50.249 00-a0-de-fd-a2-2e dinâmico

192.168.50.255 ff-ff-ff-ff-ff-ff estático

224.0.0.22 01-00-5e-00-00-16 estático

224.0.0.251 01-00-5e-00-00-fb estático

224.0.0.252 01-00-5e-00-00-fc estático

239.255.255.250 01-00-5e-7f-ff-fa estático

239.255.255.253 01-00-5e-7f-ff-fd estático

255.255.255.255 ff-ff-ff-ff-ff-ff estático

Interface: 192.168.50.5 --- 0xa

Endereço IP Endereço físico Tipo

192.168.50.1 18-31-bf-35-4d-48 dinâmico

192.168.50.17 00-11-32-2a-1d-3c dinâmico

192.168.50.45 54-60-09-ad-cf-8c dinâmico

192.168.50.58 00-11-32-8b-8d-47 dinâmico

192.168.50.61 f0-5c-77-03-ec-ca dinâmico

192.168.50.74 04-d9-f5-85-20-79 dinâmico

192.168.50.89 70-77-81-fe-b4-9b dinâmico

192.168.50.100 74-d0-2b-2c-8a-9d dinâmico

192.168.50.115 48-b0-2d-65-84-6d dinâmico

192.168.50.132 8c-fa-ba-89-9e-31 dinâmico

192.168.50.160 44-09-b8-1e-b2-95 dinâmico

192.168.50.163 04-5d-4b-f0-55-bc dinâmico

192.168.50.178 a4-77-33-38-14-b0 dinâmico

192.168.50.245 b0-4f-13-f0-9b-76 dinâmico

192.168.50.249 00-a0-de-fd-a2-2e dinâmico

192.168.50.255 ff-ff-ff-ff-ff-ff estático

224.0.0.22 01-00-5e-00-00-16 estático

224.0.0.251 01-00-5e-00-00-fb estático

224.0.0.252 01-00-5e-00-00-fc estático

239.255.255.250 01-00-5e-7f-ff-fa estático

Interface: 192.168.50.245 --- 0xe

Endereço IP Endereço físico Tipo

192.168.50.1 18-31-bf-35-4d-48 dinâmico

192.168.50.2 d8-50-e6-d0-f6-40 dinâmico

192.168.50.5 04-d9-f5-85-20-a2 dinâmico

192.168.50.12 3c-07-71-14-48-ee dinâmico

192.168.50.17 00-11-32-2a-1d-3c dinâmico

192.168.50.45 54-60-09-ad-cf-8c dinâmico

192.168.50.58 00-11-32-8b-8d-47 dinâmico

192.168.50.61 f0-5c-77-03-ec-ca dinâmico

192.168.50.74 04-d9-f5-85-20-79 dinâmico

192.168.50.89 70-77-81-fe-b4-9b dinâmico

192.168.50.100 74-d0-2b-2c-8a-9d dinâmico

192.168.50.107 70-74-14-01-84-71 dinâmico

192.168.50.115 48-b0-2d-65-84-6d dinâmico

192.168.50.132 8c-fa-ba-89-9e-31 dinâmico

192.168.50.158 3c-07-71-01-9b-20 dinâmico

192.168.50.159 a8-13-74-7b-d8-a9 dinâmico

192.168.50.160 44-09-b8-1e-b2-95 dinâmico

192.168.50.163 04-5d-4b-f0-55-bc dinâmico

192.168.50.165 a8-9c-ed-8a-34-8a dinâmico

192.168.50.178 a4-77-33-38-14-b0 dinâmico

192.168.50.249 00-a0-de-fd-a2-2e dinâmico

192.168.50.255 ff-ff-ff-ff-ff-ff estático

224.0.0.22 01-00-5e-00-00-16 estático

224.0.0.251 01-00-5e-00-00-fb estático

224.0.0.252 01-00-5e-00-00-fc estático

239.255.255.250 01-00-5e-7f-ff-fa estático

239.255.255.253 01-00-5e-7f-ff-fd estático

255.255.255.255 ff-ff-ff-ff-ff-ff estático

Interface: 169.254.161.193 --- 0x14

Endereço IP Endereço físico Tipo

169.254.255.255 ff-ff-ff-ff-ff-ff estático

224.0.0.22 01-00-5e-00-00-16 estático

224.0.0.251 01-00-5e-00-00-fb estático

224.0.0.252 01-00-5e-00-00-fc estático

239.255.255.250 01-00-5e-7f-ff-fa estático

239.255.255.253 01-00-5e-7f-ff-fd estático

Roteamento para outra sub-rede:

endereçamento

Link Layer: 6-52

passo a passo: enviando um datagrama de A para B via R

▪ foco no endereçamento – nos níveis de camada IP (datagrama) e MAC

(quadro)

A B

1A-23-F9-CD-06-9B

222.222.222.220

111.111.111.110

E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D

111.111.111.112

111.111.111.111

74-29-9C-E8-FF-55 222.222.222.222

49-BD-D2-C7-56-2A

222.222.222.221

88-B2-2F-54-1A-0F

▪ assuma que:

• A conhece o endereço IP de B

• A conhece o endereço IP do roteador do primeiro salto, R (como?)

• A conhece o endereço MAC de R (como?)

Roteamento para outra sub-rede:

endereçamento

Link Layer: 6-53

1A-23-F9-CD-06-9B

222.222.222.220

111.111.111.110

E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D

111.111.111.112

111.111.111.111

74-29-9C-E8-FF-55

222.222.222.222

49-BD-D2-C7-56-2A

222.222.222.221

88-B2-2F-54-1A-0F

Eth

Fís

IP de origem: 111.111.111.111

IP de destino: 222.222.222.222

▪ A cria datagrama IP com IP de origem A e IP de destino B

▪ A cria um quadro de camada de enlace contendo datagrama IP A-para-B

• o endereço MAC de R é o destino do quadro

MAC de origem: 74-29-9C-E8-FF-55

MAC de destino: E6-E9-00-17-BB-4B

Roteamento para outra sub-rede:

endereçamento

Link Layer: 6-54

1A-23-F9-CD-06-9B

222.222.222.220

111.111.111.110

E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D

111.111.111.112

111.111.111.111

74-29-9C-E8-FF-55

222.222.222.222

49-BD-D2-C7-56-2A

222.222.222.221

88-B2-2F-54-1A-0F

Eth

Fís

▪ quadro enviado de A para R

Eth

Fís

▪ quadro recebido em R, datagrama removido, e passado para o IP

MAC de origem: 74-29-9C-E8-FF-55

MAC de destino: E6-E9-00-17-BB-4B

IP de origem: 111.111.111.111

IP de destino: 222.222.222.222

IP src: 111.111.111.111

IP dest: 222.222.222.222

Roteamento para outra sub-rede:

endereçamento

Link Layer: 6-55

1A-23-F9-CD-06-9B

222.222.222.220

111.111.111.110

E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D

111.111.111.112

111.111.111.111

74-29-9C-E8-FF-55

222.222.222.222

49-BD-D2-C7-56-2A

222.222.222.221

88-B2-2F-54-1A-0F

IP de origem: 111.111.111.111

IP de destino: 222.222.222.222

MAC de origem: 1A-23-F9-CD-06-9B

MAC de destino: 49-BD-D2-C7-56-2A

▪ R determina a interface de saída, passa datagrama com IP de origem A e IP de

destino B para a camada de enlace

▪ R cria um quadro de camada de enlace contendo datagrama IP A-para-B. Endereço

de destino do quadro: endereço MAC de B

Eth

Fís

Roteamento para outra sub-rede:

endereçamento

Link Layer: 6-56

1A-23-F9-CD-06-9B

222.222.222.220

111.111.111.110

E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D

111.111.111.112

111.111.111.111

74-29-9C-E8-FF-55

222.222.222.222

49-BD-D2-C7-56-2A

222.222.222.221

88-B2-2F-54-1A-0F

Eth

Fís

Eth

Fís

IP de origem: 111.111.111.111

IP de destino: 222.222.222.222

MAC de origem: 1A-23-F9-CD-06-9B

MAC de destino: 49-BD-D2-C7-56-2A▪ transmite o quadro da

camada de enlace

▪ R determina a interface de saída, passa datagrama com IP de origem A e IP de

destino B para a camada de enlace

▪ R cria um quadro de camada de enlace contendo datagrama IP A-para-B. Endereço

de destino do quadro: endereço MAC de B

Roteamento para outra sub-rede:

endereçamento

Link Layer: 6-57

1A-23-F9-CD-06-9B

222.222.222.220

111.111.111.110

E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D

111.111.111.112

111.111.111.111

74-29-9C-E8-FF-55

222.222.222.222

49-BD-D2-C7-56-2A

222.222.222.221

88-B2-2F-54-1A-0F

Eth

Fís

Eth

Fís

▪ B recebe quadro, extrai datagrama IP com destino a B

▪ B passa datagrama para cima na pilha de protocolos, para IP

IP de origem: 111.111.111.111

IP de destino: 222.222.222.222

Camada de enlace, LANs: roteiro

▪ um dia na vida de uma

requisição web

▪ introdução

▪ detecção e correção de erros

▪ protocolos de acesso múltiplo

▪ LANs

• endereçamento, ARP

• Ethernet

• comutadores (switches)

• VLANs

▪ virtualização de enlaces: MPLS

▪ redes de data center

Link Layer: 6-58

Ethernet

Link Layer: 6-59

tecnologia LAN com fio “dominante”:

▪ primeira tecnologia LAN amplamente utilizada

▪ mais simples e barata

▪ acompanhar a corrida de velocidade: 10 Mbps – 400 Gbps

▪ chip único, várias velocidades (por exemplo, Broadcom

BCM5761)

Esboço da Ethernet de

Metcalfe

https://www.uspto.gov/learning-and-resources/journeys-innovation/audio-stories/defying-doubters

Bob Metcalfe: co-inventor da Ethernet,

Vencedor do Prêmio ACM Turing 2022

Ethernet: topologia física

Link Layer: 6-60

▪ barramento: popular até meados dos anos 90

• todos os nós no mesmo domínio de colisão (podem colidir uns com os outros)

barramento:

cabo coaxial

comutada

▪ comutada: prevalece hoje

• comutador (switch) de camada de enlace (camada 2) ativo no centro

• cada “raio” executa um protocolo Ethernet (separado) (os nós não colidem uns

com os outros)

Estrutura do quadro Ethernet

Link Layer: 6-61

interface de envio encapsula datagrama IP (ou outro pacote de protocolo

da camada de rede) em um quadro Ethernet

endereço

de destino

endereço

de origem dados (carga) CRCpreâmbulo

tipo

preâmbulo:

▪ usado para sincronizar as taxas de clock do emissor e do receptor

▪ 7 bytes com 10101010 seguido de um byte com 10101011

Estrutura do quadro Ethernet (mais)

Link Layer: 6-62

endereço

de destino

endereço

de origem dados (carga) CRCpreâmbulo

tipo

▪ endereços: endereços MAC de origem e destino de 6 bytes

• se o adaptador recebe o quadro com endereço de destino correspondente ao seu

ou com endereço de difusão (broadcast) (por exemplo, pacote ARP), ele passa os

dados do quadro para o protocolo da camada de rede

• caso contrário, o adaptador descarta o quadro

▪ tipo: indica protocolo da camada superior

• principalmente IP, mas outros são possíveis, por exemplo, Novell IPX, AppleTalk

• usado para demultiplexar no receptor

▪ CRC: verificação de redundância cíclica (cyclic redundancy check) no

receptor

• erro detectado: o quadro é descartado

▪ IEEE 802.3x-1997 unificou os padrões:

• Valores ≤ 1500 representam tamanho

• Valores ≥ 1536 representam tipo

Quadro Ethernet II vs. Quadro IEEE 802.3

5-63

Imagem extraída de Tanenbaum, Andrew S., 1944-

Computer networks / Andrew S. Tanenbaum, David J. Wetherall. -- 5th ed.

Ethernet II

IEEE 802.3

Ethernet: não confiável, sem conexão

Link Layer: 6-64

▪sem conexão: sem handshaking entre NICs emissor e

receptor

▪não confiável: NIC receptor não envia ACKs ou NAKs para

NIC emissor

• dados em quadros descartados são recuperados somente se o

emissor inicial usar transferência confiável de dados em camada

superior (por exemplo, TCP), caso contrário, dados descartados

serão perdidos

▪Protocolo MAC da Ethernet : CSMA/CD com backoff

binário e sem slots

Padrões Ethernet 802.3: camadas de enlace e

física

Link Layer: 6-65

• mídias de camada física diferentes: fibra, cabo

aplicação

transporte

rede

enlace

física

Protocolo MAC e

formato de quadro

100BASE-TX

100BASE-T4

100BASE-FX100BASE-T2

100BASE-SX 100BASE-BX

camada física de fibracamada física de cobre (par trançado)

▪ muitos padrões Ethernet diferentes

• protocolo MAC e formato de quadro em comum

• diferentes velocidades: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10 Gbps,

40 Gbps

Camada de enlace, LANs: roteiro

▪ um dia na vida de uma

requisição web

▪ introdução

▪ detecção e correção de erros

▪ protocolos de acesso múltiplo

▪ LANs

• endereçamento, ARP

• Ethernet

• comutadores (switches)

• VLANs

▪ virtualização de enlaces: MPLS

▪ redes de data center

Link Layer: 6-66

Comutador Ethernet

Link Layer: 6-67

▪ Comutador é um dispositivo de camada de enlace: assume

um papel ativo

• armazena e encaminha quadros Ethernet

• examina o endereço MAC dos quadros de entrada, encaminha

seletivamente um quadro para um ou mais enlaces de saída quando

o quadro deve ser encaminhado no segmento, usa CSMA/CD para

acessar o segmento

▪ transparente: hospedeiros não sabem da presença de comutadores

▪ plug-and-play, self-learning

• comutadores não precisam ser configurados

Comutador: várias transmissões simultâneas

Link Layer: 6-68

comutador com seis

interfaces (1,2,3,4,5,6)

E C

1 2

▪ hospedeiros têm conexão direta e

dedicada com o comutador

▪ comutador faz buffer de pacotes

▪ protocolo Ethernet usado em cada

enlace de entrada, então:

• sem colisões; full duplex

• cada enlace é seu próprio

domínio de colisão

▪ comutação: A-para-D e B-para-E podem

transmitir simultaneamente, sem colisões

Comutador: várias transmissões simultâneas

Link Layer: 6-69

comutador com seis

interfaces (1,2,3,4,5,6)

E C

1 2

▪ hospedeiros têm conexão direta e

dedicada com o comutador

▪ comutador faz buffer de pacotes

▪ protocolo Ethernet usado em cada

enlace de entrada, então:

• sem colisões; full duplex

• cada enlace é seu próprio

domínio de colisão

▪ comutação: A-para-D e B-para-E podem

transmitir simultaneamente, sem colisões

• mas transmissões A-para-D e C-para-D não

podem ocorrer simultaneamente

Tabela de encaminhamento do comutador

Link Layer: 6-70

E C

1 2

Q: como o comutador sabe que D pode ser

alcançado pela interface 4 e E é alcançável

pela interface 5?

R: cada comutador tem uma tabela de

comutação, onde cada entrada é:

▪ (endereço MAC do hospedeiro, interface

para alcançar o hospedeiro, carimbo de

data/hora)

▪ parece uma tabela de roteamento!

Q: como as entradas são criadas e

mantidas na tabela de comutação?

▪ algo como um protocolo de roteamento?

Comutador: auto aprendizado

Link Layer: 6-71

E C

1 2

▪comutador aprende quais

hospedeiros podem ser

alcançados através de quais

interfaces

A D

Origem: A

Destino: D

end. MAC interface TTL

Tabela de

Comutação

(inicialmente

vazia)

A 1 60

• quando o quadro é recebido,

o comutador “aprende” a

localização do remetente:

segmento de LAN de entrada

• registra o par

remetente/local na tabela de

comutação

Comutador: filtragem/encaminhamento de

quadros

Link Layer: 6-72

quando um quadro é recebido no comutador:

1. registra enlace de entrada e endereço MAC do hospedeiro emissor

2. procura um registro com o endereço MAC de destino na tabela de

comutação

3. se um registro é encontrado para o destino

então {

se o destino está no segmento pelo qual o quadro chegou

então descarta quadro

senão encaminha quadro na interface indicada pelo registro

}

senão inunda /* encaminha em todas as interfaces, exceto na

interface de chegada */

E C

1 2

Auto aprendizado e encaminhamento: exemplo

Link Layer: 6-73

A D

Origem: A

Destino: D

end. MAC interface TTL

tabela de

comutação

(inicialmente vazia)

A 1 60

A DA DA DA DA D

D A

D 4 60

▪ destino do quadro, D,

local desconhecido: inunda

▪ localização do destino A

conhecida: envia seletivamente

em apenas um enlace

Interconectando comutadores

Link Layer: 6-74

comutadores com auto aprendizado podem ser

conectados:

Q: enviando de A para G - como S1 sabe que deve encaminhar o quadro

destinado a G via S4 e S3?

▪ R: auto aprendizado! (funciona exatamente igual ao caso com um

único comutador!)

C D

2 3

3 4

Exemplo de auto aprendizado com múltiplos

comutadores

Link Layer: 6-75

Suponha que C envia um quadro para I, I responde

para C

Q: mostre as tabela de comutação e encaminhamento de

pacotes em S1, S2, S3, e S4

C D

2 3

3 4

Pequena rede institucional

Link Layer: 6-76

para rede

externa

roteador

sub-rede IP

servidor de e-mail

servidor web

...

Agr2

...

Agr1

armários

dos

prédios

Rede do Campus da UMass - Detalhe

para fora do campus

Controlador

Sem Fio

...

Controlador

Sem Fio

borda borda

núcleonúcleo

...

Agr3

...

Agr4 firewall data centerWiFi

Rede da UMass:

▪ 4 firewalls

▪ 10 roteadores

▪ 2000+ comutadores de

rede

▪ 6000 pontos de acesso

sem fio

▪ 30000 tomadas de rede

com fio ativas

▪ 55000 dispositivos sem

fio ativos de usuário

final

… tudo construído,

operado e mantido

por cerca de 15

pessoas

...

Agr2

...

Agr1

armários

dos

prédios

Rede do Campus da UMass - Detalhe

para fora do campus

Controlador

Sem Fio

...

Controlador

Sem Fio

borda borda

núcleonúcleo

...

Agr3

...

Agr4 firewall data centerWiFi

eBGP

iBGP

IS-IS

Ethernetcomutação

de camada 2

roteamento

intra-domínio

roteamento

inter-domínio

Protocolos Velocidadesde Enlace

10G;

100G pendente

40G & 100G

40G

10G & 1G

Link Layer: 6-79

unespNET

https://www.youtube.co

m/watch?v=rVlovfymyBY

https://www.youtube.com/watch?v=rVlovfymyBY

Comutadores vs. roteadores

Link Layer: 6-80

aplicação

transporte

rede

enlace

física

rede

enlace

física

enlace

física

comutadores

datagrama

aplicação

transporte

rede

enlace

física

quadro

datagrama

6-80

ambos armazenam e encaminham:

▪ roteadores: dispositivos de camada de rede

(examinam cabeçalhos de camada de rede)

▪ comutadores: dispositivos de camada de

enlace (examinam cabeçalhos de camada

de enlace)

ambos têm tabelas de

encaminhamento:

▪ roteadores: calculam tabelas usando

algoritmos de roteamento e endereços IP

▪ comutadores: aprendem a tabela de

encaminhamento usando inundação, auto

aprendizado e endereços MAC

Camada de enlace, LANs: roteiro

▪ um dia na vida de uma

requisição web

▪ introdução

▪ detecção e correção de erros

▪ protocolos de acesso múltiplo

▪ LANs

• endereçamento, ARP

• Ethernet

• comutadores (switches)

• VLANs

▪ virtualização de enlaces: MPLS

▪ redes de data center

Link Layer: 6-81

Virtual LANs (VLANs): motivação

Link Layer: 6-82

Ciência da

Computação EE

Q: o que acontece à medida que os tamanhos da LAN aumentam e os

usuários mudam de ponto de conexão?

domínio de difusão (broadcast) único:

▪ escala: todo o tráfego de difusão da

camada 2 (ARP, DHCP, MAC

desconhecido) deve cruzar toda a

LAN

▪ problemas de eficiência, segurança, e

privacidade

Virtual LANs (VLANs): motivação

Link Layer: 6-83

problemas administrativos :

▪ usuário da CC muda sua sala para a

EE - fisicamente conectado ao

comutador da EE, mas quer

permanecer logicamente conectado

ao comutador da CC

Ciência da

Computação

domínio de difusão (broadcast) único:

▪ escala: todo o tráfego de difusão da

camada 2 (ARP, DHCP, MAC

desconhecido) deve cruzar toda a

LAN

▪ problemas de eficiência, segurança, e

privacidade

Q: o que acontece à medida que os tamanhos da LAN aumentam e os

usuários mudam de ponto de conexão?

7 9

1610

VLANs baseadas em

porta

Link Layer: 6-84

comutador(es) que

suportam recursos de

VLAN podem ser

configurados para

definir várias LANs

virtuais em uma única

infraestrutura de LAN

física.

Virtual Local Area

Network (VLAN)

VLAN baseada em porta: portas de

comutador agrupadas (por software de

gerenciamento de comutador) para que um

único comutador físico ……

…

EE (portas VLAN 1-8) CC (portas VLAN 9-15)

…

… opere como múltiplos comutadores

virtuais

EE (portas VLAN 1-8)

…

1610

…

CC (portas VLAN 9-15)

7 9

1610

VLANs baseadas em porta

Link Layer: 6-85

…

EE (portas VLAN 1-8) CC (portas VLAN 9-15)

…

▪ isolamento de tráfego: quadros de/para as

portas 1-8 só podem alcançar as portas 1-8

• também pode-se definir VLANs com base em

endereços MAC de sistemas finais, em vez de

portas do comutador

▪ associação dinâmica: as portas

podem ser atribuídas dinamicamente

entre VLANs

▪ encaminhamento entre VLANs: feito

via roteamento (assim como com

comutadores separados)

• na prática, os fornecedores vendem

comutadores com roteadores combinados

7 9

1610

VLANs abrangendo vários comutadores

Link Layer: 6-86

…

EE (portas VLAN 1-8) CC (portas VLAN 9-15)

…

Portas 2,3,5 pertencem a VLAN EE

Portas 4,6,7,8 pertencem a VLAN CC

porta de tronco: transporta quadros entre VLANs definidas em

vários comutadores físicos

▪ os quadros encaminhados dentro da VLAN entre os comutadores não

podem ser quadros 802.1 comuns (devem levar informações de ID da

VLAN)

▪ o protocolo 802.1q adiciona/remove campos de cabeçalho adicionais para

quadros encaminhados entre portas de tronco

Formato de quadro VLAN 802.1Q

Link Layer: 6-87

Quadro Ethernet 802.1

endereço

de destino

endereço

de origem dados (carga) CRCpreâmbulo

tipo

Tag Identificador de

Protocolo de 2 bytes

(valor: 81-00)

Tag de Informação de Controle

(campo VLAN ID de 12 bits, campo prioridade de

3 bits, como o TOS do IP)

CRC

Recomputado

Quadro 802.1Qendereço

de destino

endereço

de origem dados (carga) CRCpreâmbulo

tipo

▪ Transição da Ethernet legada para a Ethernet com VLAN. Símbolos

sombreados reconhecem VLAN. Os vazios não reconhecem.

O Padrão IEEE 802.1Q

Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4ed, Prentice Hall Professional, 2003

▪ The 802.3 (legacy) and 802.1Q Ethernet frame formats.

O Padrão IEEE 802.1Q (2)

• Prioridade (3 bits)

• Não tem nada a ver com VLAN, mas aproveitaram a modificação para incluir essa possibilidade de controle de

qualidade de serviço

• Distingue entre tráfego em tempo real permanente, tráfego em tempo real provisório e tráfego não relacionado a

tempo

• CFI (Indicador de Formato Canônico): nada a ver com VLAN também, incluído por motivos políticos (“vote na minha

modificação que voto na sua”). Serve para indicar que carga útil contém quadro IEEE 802.5 (Token Ring) encapsulado

• Identificador de VLAN (12 bits)

Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, 4ed, Prentice Hall Professional, 2003

7 9

1610

EVPN: Ethernet VPNs (aka VXLANs)

Link Layer: 6-90

……

Switches Ethernet de camada 2 conectados logicamente entre si (por exemplo,

usando IP como subcamada)

▪ quadros Ethernet transportados dentro de datagramas IP entre locais

▪ “esquema de tunelamento para sobrepor redes da Camada 2 sobre redes da Camada 3 ...

funciona sobre a infraestrutura de rede existente e fornece um meio de “ampliar” uma

rede da Camada 2.” [RFC7348]

…

416

data center

de Sunnyvale

data center

de BangaloreEthernet

quadro

Ethernet

datagrama

Camada de enlace, LANs: roteiro

▪ um dia na vida de uma

requisição web

▪ introdução

▪ detecção e correção de erros

▪ protocolos de acesso múltiplo

▪ LANs

• endereçamento, ARP

• Ethernet

• comutadores (switches)

• VLANs

▪ virtualização de enlaces: MPLS

▪ redes de data center

Link Layer: 6-91

rótulo TC S TTL

20 3 1 8

Multiprotocol label switching (MPLS – Comutação

de Rótulo

Multiprotocolo)

Link Layer: 6-92

▪ objetivo: encaminhamento IP de alta velocidade entre a rede de

roteadores compatíveis com MPLS, usando rótulo de comprimento

fixo (em vez de correspondência de prefixo mais curto)

• pesquisa mais rápida usando identificador de comprimento fixo

• emprestando ideias da abordagem de Circuito Virtual (VC)

• mas o datagrama IP ainda mantém o endereço IP!

remainder of Ethernet frame, including IP

header with IP source, destination addresses

Cabeçalho

MPLS

cabeçalho

Ethernet

restante do quadro Ethernet, incluindo cabeçalho

IP com endereços IP de origem e destino

Roteadores compatíveis com MPLS

Link Layer: 6-93

▪ também conhecido como roteador comutado por rótulo

▪ encaminha pacotes para a interface de saída com base

apenas no valor do rótulo (não inspeciona o endereço IP)

• Tabela de encaminhamento MPLS distinta das tabelas de

encaminhamento IP

▪ flexibilidade: Decisões de encaminhamento MPLS podem

diferir daquelas do IP

• usa endereços de destino e origem para rotear fluxos para o

mesmo destino de forma diferente (engenharia de tráfego)

• redireciona fluxos rapidamente se o enlace falhar: caminhos de

backup pré-computados

Caminhos MPLS versus caminhos IP

Link Layer: 6-94

▪ roteamento IP: caminho para o destino determinado apenas pelo

endereço de destino

roteador IP

Caminhos MPLS versus caminhos IP

Link Layer: 6-95

roteador IP

▪ roteamento IP: caminho para o destino determinado apenas pelo

endereço de destino

roteador IP/MPLS

O roteador IP/MPLS de entrada (R4) pode usar diferentes rotas MPLS para

A baseadas, por exemplo, no endereço IP de origem ou outros campos

▪ roteamento MPLS: caminho para o destino pode ser baseado no

endereço de origem e no endereço de destino

• um tipo de encaminhamento generalizado (MPLS chegou 10 anos antes)

• re-roteamento rápido: pré-computa rotas de backup para o caso de

falha de enlace

Sinalização MPLS

Link Layer: 6-96

▪ modifica protocolos de inundação de estado de enlace do OSPF

e do IS-IS para transportar informações usadas pelo roteamento

MPLS:

• por exemplo, largura de banda do enlace, quantidade “reservada” de

largura de banda do enlace

inundação

de estado

de enlace

modificada

RSVP-TE

▪ roteador MPLS de entrada usa o protocolo de sinalização RSVP-

TE para configurar o encaminhamento MPLS nos próximos

roteadores

Tabelas de encaminhamento MPLS

Link Layer: 6-97

rótulo rótulo interface

entr. saída dest. saída

6 - A 0

rótulo rótulo interface

entr. saída dest. saída

10 6 A 1

12 9 D 0

rótulo rótulo interface

entr. saída dest. saída

8 6 A 0

rótulo rótulo interface

entr. saída dest. saída

10 A 0

12 D 0

8 A 1

▪ Fica entre o IP (camada de rede) e o PPP ou Ethernet (camada de

enlace)

• Não é da camada de rede, pois depende do IP ou outros endereços da

camada de rede

• Não é da camada de enlace, pois encaminha pacotes por vários saltos

• As vezes é descrito como protocolo da “Camada 2,5”

MPLS

5-98

Camada de enlace, LANs: roteiro

▪ um dia na vida de uma

requisição web

▪ introdução

▪ detecção e correção de erros

▪ protocolos de acesso múltiplo

▪ LANs

• endereçamento, ARP

• Ethernet

• comutadores (switches)

• VLANs

▪ virtualização de enlaces: MPLS

▪ redes em data centers

Link Layer: 6-99

Redes em data centers

Link Layer: 6-100

De dezenas a centenas de milhares de hospedeiros, muitas

vezes fortemente acoplados e próximos:

▪ e-business (ex.: Amazon)

▪ servidores de conteúdo (ex.: YouTube, Akamai, Apple, Microsoft)

▪ motores de busca, mineração de dados (ex.: Google)

desafios:

▪ múltiplas aplicações, cada uma

atendendo a um grande número

de clientes

▪ confiabilidade

▪ gerenciamento/balanceamento de

carga, evitando gargalos de

processamento, de rede e de

dados

Dentro de um contêiner da Microsoft de 40 pés (12,192

metros), data center de Chicago

Redes de datacenter: elementos de rede

Link Layer: 6-101

Racks de servidores

▪ 20- 40 servidores blade:

hospedeiros

Comutadores Top of Rack (TOR)

▪ um por rack

▪ 40-100Gbps Ethernet para lâminas

Comutadores de nível 2

▪ conectado a ~16 TORs abaixo

Comutadores de nível 1

▪ conectado a ~16 nível 2 abaixo

Roteadores de borda

▪ conexões para fora do datacenter

…

Redes de datacenter: elementos de rede

Link Layer: 6-102

Topologia de rede do data center F16 do Facebook:

https://engineering.fb.com/data-center-engineering/f16-minipack/ (postado 3/2019)

Redes de datacenters: multicaminho

Link Layer: 6-103

9 10 11 12 13 14 15 16

dois caminhos separados destacados entre os racks 1 e 11

▪ rica interconexão entre comutadores e racks:

• aumento da taxa de transferência entre racks (vários caminhos de roteamento

possíveis)

• maior confiabilidade por meio de redundância

…

Redes de datacenters: roteamento de camada de

aplicação

Link Layer: 6-104

Balanceador

de carga

Internet balanceador de

carga: roteamento

de camada de

aplicação

▪ recebe solicitações

de clientes externos

▪ direciona a carga de

trabalho dentro do

data center

▪ retorna resultados

ao cliente externo

(ocultando os

componentes internos

do data center do

cliente)

▪ camada de enlace:

• RoCE: DMA remoto (RDMA) sobre Ethernet Convergente

▪ camada de transporte:

• ECN (explicit congestion notification - notificação explícita de congestionamento)

usado no controle de congestionamento da camada de transporte (DCTCP, DCQCN)

• experimentação com controle de congestionamento hop-by-hop (backpressure)

▪ roteamento, gerenciamento:

• SDN amplamente utilizado dentro dos/entre os datacenters das organizações

• coloque serviços e dados relacionados o mais próximo possível (por exemplo, no

mesmo rack ou rack próximo) para minimizar a comunicação de nível 2 e nível 1

Redes de datacenters: inovações de protocolos

Link Layer: 6-105

Google Networking: Infrastructure and Selected Challenges (Slides:

https://networkingchannel.eu/google-networking-infrastructure-and-selected-challenges/

Camada de enlace, LANs: roteiro

▪ um dia na vida de uma

requisição web

▪ introdução

▪ detecção e correção de erros

▪ protocolos de acesso múltiplo

▪ LANs

• endereçamento, ARP

• Ethernet

• comutadores (switches)

• VLANs

▪ virtualização de enlaces: MPLS

▪ redes em data centers

Link Layer: 6-107

Síntese: um dia na vida de uma solicitação da web

Link Layer: 6-108

▪ nossa jornada pela pilha de protocolos agora está completa!

• aplicação, transporte, rede, enlace

▪ juntando tudo: síntese!

• objetivo: identificar, revisar, entender os protocolos (em todas as

camadas) envolvidos em um cenário aparentemente simples:

requisitando uma página www

• cenário: aluno conecta laptop à rede do campus, solicita/recebe

www.google.com

Um dia na vida: cenário

Link Layer: 6-109

rede da Comcast

68.80.0.0/13

rede do Google

64.233.160.0/19 64.233.169.105

web server

servidor DNS

rede da escola

68.80.2.0/24

navegador

página web

▪ cliente móvel

que chega se

conecta à rede …

▪ requisita

página web:

www.google.com

cenário:

Parece

simples!

Um dia na vida: conectando-se à Internet

Link Layer: 6-110

roteador tem

servidor DHCP

dispositivo móvel chegando:

cliente DHCP

▪ laptop conectando precisa obter seu

próprio endereço IP, endereço do roteador

do primeiro salto, e endereço do servidor

DNS: usa DHCP

DHCP

UDP

Eth

Fís

DHCP

UDP

Eth

Fís

DHCP

DHCPDHCP

▪ requisição DHCP encapsulada em UDP,

encapsulada em IP, encapsulada em

Ethernet 802.3

▪ quadro Ethernet enviado por broadcast

(dest: FFFFFFFFFFFF) na LAN, recebido no

roteador executando servidor DHCP

▪ Ethernet demultiplexado para IP,

demultiplexado para UDP, demultiplexado

para DHCP

Um dia na

vida: conectando-se à Internet

Link Layer: 6-111

roteador tem

servidor DHCP

dispositivo móvel chegando:

cliente DHCP

DHCP

UDP

Eth

Fís

DHCP

UDP

Eth

Fís

▪ servidor DHCP formula DHCP ACK

contendo endereço IP do cliente,

endereço IP do roteador de primeiro

salto, e nome e endereço IP do servidor

DNS

DHCP

DHCP ▪ encapsulamento no servidor DHCP,

quadro encaminhado (aprendizado do

comutador) através da LAN,

demultiplexando no cliente

O cliente agora tem endereço IP, sabe o nome e endereço do servidor

DNS e endereço IP de seu roteador de primeiro salto

▪ cliente DHCP recebe resposta DHCP ACK

Um dia na vida… ARP (antes do DNS, antes do

HTTP)

Link Layer: 6-112

roteador tem

servidor ARP

dispositivo móvel chegando :

cliente ARP

DNS

UDP

Eth

Fís

Eth

Fís

ARP

▪ antes de enviar requisição HTTP, precisa do

endereço IP de www.google.com: DNS

DNS

▪ Consulta DNS criada, encapsulada em UDP,

encapsulada em IP, encapsulada em Ethernet. Para

enviar o quadro para o roteador, é necessário o

endereço MAC da interface do roteador: ARP

▪ broadcast da requisição ARP, recebida pelo

roteador, que responde com uma resposta ARP

fornecendo o endereço MAC da interface do

roteador

▪ o cliente agora conhece o endereço MAC

do roteador do primeiro salto, então agora

pode enviar o quadro contendo a consulta

DNS

ARP query

ARP

ARP reply

Um dia na vida… usando DNS

Link Layer: 6-113

DNS

UDP

Eth

Fís

rede da Comcast

68.80.0.0/13

servidor

DNS

▪ Datagrama IP

contendo consulta

DNS encaminhada via

comutador LAN do

cliente para o

roteador de 1º salto

▪ Datagrama IP encaminhado da rede

do campus para a rede da Comcast,

roteado (tabelas criadas por

protocolos de roteamento RIP, OSPF,

IS-IS e/ou BGP) para o servidor DNS

▪ demultiplexado para

DNS

▪ DNS responde ao

cliente com endereço

IP de

www.google.com

DNS

UDP

Eth

Fís

DNS

Um dia na vida… conexão TCP carregando HTTP

Link Layer: 6-114

rede da Comcast

68.80.0.0/13

64.233.169.105

servidor web do Google

HTTP

TCP

Eth

Fís

HTTP

▪ para enviar solicitação

HTTP, o cliente primeiro

abre socket TCP para o

servidor web

▪ segmento TCP SYN (passo 1 no

handshake de 3 vias do TCP)

roteado entre domínios para

o servidor web

▪ conexão TCP estabelecida!

SYN

TCP

Eth

Fís

SYN

SYNACK

▪ servidor web responde com

TCP SYNACK (passo 2 no

handshake de 3 vias do TCP)

Um dia na vida… requisição/resposta HTTP

Link Layer: 6-115

rede da Comcast

68.80.0.0/13

64.233.169.105

servidor web do Google

HTTP

TCP

Eth

Fís

HTTP

TCP

Eth

Fís

HTTP

▪ requisição HTTP enviada

em socket TCP

▪ datagrama IP contendo

solicitação HTTP roteado

para www.google.com

▪ datagrama IP contendo

resposta HTTP roteado de

volta ao cliente

▪ servidor web responde com

resposta HTTP (contendo

página web)

HTTP

HTTPHTTP

HTTP

▪ página web

finalmente (!!!)

mostrada

Capítulo 6: Resumo

Link Layer: 6-116

▪ princípios por trás dos serviços da camada de enlace de dados:

• detecção e correção de erros

• compartilhamento de um canal de transmissão: acesso múltiplo

• endereçamento da camada de enlace

▪ instanciação e implementação de várias tecnologias de camada

de enlace

• Ethernet

• LANs comutadas, VLANs

• redes virtualizadas como uma camada de enlace: MPLS

▪ síntese: um dia na vida de uma requisição web

Capítulo 6: vamos respirar

Link Layer: 6-117

▪ jornada pela pilha de protocolos completa (exceto camada

física)

▪ compreensão sólida dos princípios e prática de rede!

▪ ….. poderia parar por aqui …. mas ainda há mais tópicos

interessantes!

• sem fio

• segurança

Leitura Recomendada e Complementar

120

 Leitura Recomendada:

 KUROSE, James F. e ROSS, Keith W. Redes de computadores e a Internet: Uma

abordagem top-down. 8ª Edição. Bookman, 2021.

 Capítulo 6 – A Camada de Enlace e Redes Locais

 TANENBAUM, Andrew S., FEAMSTER, Nick e WETHERALL, David. Redes de

Computadores. 6ª Edição. São Paulo: Bookman, 2021.

 Capítulo 3 – A Camada de Enlace de Dados

 Capítulo 4 – A Subcamada de Controle de Acesso ao Meio

 Leitura Complementar:

 FOUROUZAN, Behrouz A. e FIROUZ, Mosharraf. Redes de Computadores: uma

abordagem top-down. Porto Alegre: AMGH, 2013.

 Capítulo 5 – Camada de Enlace de Dados: Redes com Fios.

 TORRES, Gabriel. Redes de Computadores: Curso Completo. Axcel Books, 2001.

 Capítulo 3 – Capítulos 13 a 17.

 COMER, Douglas E. Interligação de Redes com TCP/IP. Volume 1: Princípios, protocolos

e arquitetura. 6ª Edição. Rio de Janeiro: Elsevier, 2015.

 Capítulos 2 – Revisão das tecnologias de rede básicas.

 MAIA, Luiz Paulo. Arquitetura de Redes de Computadores. 2ª edição. LTC, 2013.

 Capítulos 4 e 5

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Slide 1: Redes de Computadores

Slide 2

Slide 3: Camada de enlace e LANs: nossos objetivos

Slide 4: Camada de enlace, LANs: roteiro

Slide 5: Camada de enlace: introdução

Slide 6: Camada de enlace: contexto

Slide 7: Analogia de transporte

Slide 8: Camada de enlace: serviços

Slide 9: Camada de enlace: serviços (mais)

Slide 10: Onde a camada de enlace é implementada?

Slide 11: Interfaces de comunicação

Slide 12: Camada de enlace, LANs: roteiro

Slide 13: Detecção de erro

Slide 14: Verificação de paridade

Slide 15: Soma de verificação da Internet (revisão, veja seção 3.3)

Slide 16: Cyclic Redundancy Check (CRC - Verificação de Redundância Cíclica)

Slide 17: Cyclic Redundancy Check (CRC): exemplo

Slide 18: CRC: outro exemplo

Slide 19: Camada de enlace, LANs: roteiro

Slide 20: Enlaces e protocolos de acesso múltiplo

Slide 21: Protocolos de acesso múltiplo

Slide 22: Um protocolo de acesso múltiplo ideal

Slide 23: Protocolos MAC: taxonomia

Slide 24: Protocolos MAC de particionamento de canal: TDMA

Slide 25: Protocolos MAC de particionamento de canal: FDMA

Slide 26: Protocolos de acesso aleatório

Slide 27: Slotted ALOHA

Slide 28: Slotted ALOHA

Slide 29: Slotted ALOHA: eficiência

Slide 30: ALOHA puro

Slide 31: CSMA (carrier sense multiple access)

Slide 32: CSMA: colisões

Slide 33: CSMA/CD:

Slide 34: Algoritmo do Ethernet CSMA/CD

Slide 35: Eficiência do CSMA/CD

Slide 36: Protocolos MAC de “revezamento”

Slide 37: Protocolos MAC de “revezamento”

Slide 38: Protocolos MAC de “revezamento”

Slide 39: Rede de acesso a cabo: FDM, TDM e acesso aleatório!

Slide 40: Rede de acesso a cabo:

Slide 41: Resumo dos protocolos MAC

Slide 42: Camada de enlace, LANs: roteiro

Slide 43: Endereços MAC

Slide 44: Endereços MAC

Slide 45: Endereços MAC

Slide 46

Slide 47: ARP: address resolution protocol (protocolo de resolução de endereço)

Slide 48: Protocolo ARP em ação

Slide 49: Protocolo ARP em ação

Slide 50: Protocolo ARP em ação

Slide 51

Slide 52: Roteamento para outra sub-rede: endereçamento

Slide 53: Roteamento para outra sub-rede: endereçamento

Slide 54: Roteamento para outra sub-rede: endereçamento

Slide 55: Roteamento para outra sub-rede: endereçamento

Slide 56: Roteamento para outra sub-rede: endereçamento

Slide 57: Roteamento para outra sub-rede: endereçamento

Slide 58: Camada de enlace, LANs: roteiro

Slide 59: Ethernet

Slide 60: Ethernet: topologia física

Slide 61: Estrutura do quadro Ethernet

Slide 62: Estrutura do quadro Ethernet (mais)

Slide 63: Quadro Ethernet II vs. Quadro IEEE 802.3

Slide 64: Ethernet: não confiável, sem conexão

Slide 65: Padrões Ethernet 802.3: camadas de enlace e física

Slide 66: Camada de enlace, LANs:

roteiro

Slide 67: Comutador Ethernet

Slide 68: Comutador: várias transmissões simultâneas

Slide 69: Comutador: várias transmissões simultâneas

Slide 70: Tabela de encaminhamento do comutador

Slide 71: Comutador: auto aprendizado

Slide 72: Comutador: filtragem/encaminhamento de quadros

Slide 73: Auto aprendizado e encaminhamento: exemplo

Slide 74: Interconectando comutadores

Slide 75: Exemplo de auto aprendizado com múltiplos comutadores

Slide 76: Pequena rede institucional

Slide 77: Rede do Campus da UMass - Detalhe

Slide 78: Rede do Campus da UMass - Detalhe

Slide 79

Slide 80: Comutadores vs. roteadores

Slide 81: Camada de enlace, LANs: roteiro

Slide 82: Virtual LANs (VLANs): motivação

Slide 83: Virtual LANs (VLANs): motivação

Slide 84: VLANs baseadas em porta

Slide 85: VLANs baseadas em porta

Slide 86: VLANs abrangendo vários comutadores

Slide 87: Formato de quadro VLAN 802.1Q

Slide 88: O Padrão IEEE 802.1Q

Slide 89: O Padrão IEEE 802.1Q (2)

Slide 90: EVPN: Ethernet VPNs (aka VXLANs)

Slide 91: Camada de enlace, LANs: roteiro

Slide 92: Multiprotocol label switching (MPLS – Comutação de Rótulo Multiprotocolo)