Aula 2 - Serviços da camada de enlace

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Arquitetura de Redes
(Infraestrutura de Redes)
Aula 2 - Serviços da camada de enlace
INTRODUÇÃO
Nesta aula estudaremos os serviços oferecidos pela camada de enlace. Descreveremos em detalhes as funções de enquadramento de dados e de
detecção de erros de transmissão, incluindo os algoritmos paridade, CRC e Checksum.
Vamos lá!
OBJETIVOS
Reconhecer, em detalhes, o enquadramento de dados;
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Identi�car métodos simples de detecção: bit de paridade;
Analisar métodos mais avançados de detecção de erros: Checksum e CRC.
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ERROS DE TRANSMISSÃO
Fonte da Imagem: alexskopje / Shutterstock
Uma questão de fundamental importância na camada de enlace é que os meios de transmissão de dados di�cilmente oferecem um ambiente
aprazível para os bits que por ali passam. Quando os bits viajam pelo meio de transmissão, enfrentam diversos obstáculos até chegarem ao outro
lado. Esses obstáculos podem aparecer na forma de atenuação de sinal ou de interferência eletromagnética, por exemplo.
Eventualmente, eles fazem com que um bit chegue ao outro lado trocado (por exemplo, um bit 1 chega ao destino como bit 0). Essa troca acidental
de bits que ocorre nos meios de transmissão é denominada, no contexto de redes de computadores, erros de transmissão.
Para contornar esse problema, protocolos da camada de enlace empregam técnicas de detecção de erros de transmissão. O objetivo é permitir que
um receptor possa conferir se uma unidade de dados recebida chegou com os bits idênticos aos que foram transmitidos pelo vizinho.
O ENQUADRAMENTO DE DADOS
Do ponto de vista de uma interface que recebe dados via rede, pode ser bem difícil identi�car, em um �uxo de bits que chega, o término e o início sequencial dos
quadros de dados. Para que essa diferenciação ocorra de maneira certa e e�ciente são empregadas, pela camada de enlace, técnicas de enquadramento de
dados.
Fukurou / Shutterstock
CONTAGEM DE CARACTERES
Segundo a técnica de contagem de caracteres, cada quadro recebe um campo de cabeçalho informando quantos bytes (caracteres) possuem o
quadro atual. Ao ler esse valor, o receptor segue contando os bytes totais do quadro, e, quando se igualar ao número indicado no campo de
cabeçalho, teremos o �nal do quadro.
O método de contagem de caracteres tem a vantagem de ser simples e requerer pouca informação de controle. Entretanto, se houver erro de
transmissão (troca de bits) que afete o byte de controle, o receptor perderá a capacidade de seguir delimitando tanto o quadro atual quanto os
quadros seguintes.
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Para evitar problemas como esse, outras técnicas foram sendo propostas. Um exemplo é a técnica de marcação com caracteres mostrada na tabela
a seguir.
Embora seja uma solução mais elaborada do que a contagem de bits, a marcação com caracteres também tem suas desvantagens. A primeira é que
esse método requer mais bits de controle do que o método de contagem de caracteres.
A segunda questão é que, se, por coincidência, a área de dados do quadro tiver uma sequência de bytes idêntica aos bytes usados nos marcadores,
o receptor poderá se confundir. Para contornar o problema, existe uma variação desse método, chamada de marcação com caracteres e
preenchimento de caracteres. Observe, abaixo:
MÉTODOS SIMPLES DE DETECÇÃO DE ERROS DE TRANSMISSÃO: BIT DE PARIDADE
No contexto de redes de computadores, o termo “erros de transmissão” se refere à ocorrência de troca de bits no meio de transmissão. Você não
deve confundir erros de transmissão com perda de pacotes. Para pro�ssionais da área de redes de computadores, esses são problemas
completamente distintos e tratados por técnicas muito diferentes.
Todo método de detecção de erros de transmissão é baseado na mesma ideia fundamental, como visto a seguir.
O transmissor interessado em usar algum método de detecção de erros de transmissão recebe uma unidade de dados (datagrama) da camada de
rede. Do ponto de vista da camada de enlace, um datagrama é, na verdade, o conjunto de dados a serem enviados. Os dados são representados pela
letra D na parte esquerda da �gura.
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O transmissor, então, trata bits de dados como se fossem números (não importando se o que está sendo enviado é um texto, por exemplo, um
código html), e realiza uma ou duas sequências de operações aritméticas/algébricas. O resultado dessas operações é chamado de Código de
Detecção de Erros (EDC – Error Detection Code). 
O EDC é adicionado como um campo de cabeçalho aos dados a serem enviados, e o quadro da camada de enlace, formado pela concatenação
D,EDC, é transmitido usando o meio de transmissão subjacente.
O receptor, por sua vez, recebe um conjunto de bits designado na imagem por D´,EDC´. Os dados recebidos são marcados com um (´), pois podem
ter sido alterados durante sua viagem pelo meio de transmissão devido, por exemplo, a interferência eletromagnética. 
Após receber os dados, o receptor realiza, em D´, o mesmo conjunto de operações que o transmissor efetuou em D antes da transmissão. Após obter
o resultado, o receptor o compara com o valor EDC´ recebido junto com o quadro.
Se os dois valores forem iguais, o receptor irá considerar que o quadro foi recebido livre de erros de transmissão. Se forem diferentes, o receptor
entenderá que houve erro de transmissão.
Se você parar para re�etir por alguns instantes, perceberá que esse fundamento básico usado por todos os métodos de detecção de erros é baseado no mesmo
raciocínio usado por quem estuda matemática para tirar a prova real.
Baseados nesse pensamento, dois métodos clássicos para a detecção de erros usam o que chamamos de bits de paridade. A ideia do bit de paridade é
extremamente simples: adicionar um bit 0 ou 1 ao �nal de uma sequência de bits para que o número total de bits 1 do quadro seja par (ou impar).
LHF Graphics / Shutterstock
O exemplo a seguir ilustra um esquema com paridade par, ou seja, um bit de paridade é adicionado ao �nal da sequência de bits de dados antes do
quadro ser transmitido para garantir que o número de bits 1 do quadro seja par.
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Como a área de dados contem 6 bits iguais a 1, o bit foi con�gurado para 0, já que o número total de bits iguais a 1 já era par.
No exemplo seguinte, a área de dados contém apenas 3 bits iguais a 1. Esse número é, portanto, ímpar, e o bit de paridade teve que ser con�gurado
para 1. Com isso, o número total de bits iguais a 1 do quadro �cou em 4, um número par. A paridade combinada foi, pois, respeitada.
Você pode imaginar cenários de erros de transmissão (trocas de bits) que não são detectados pelo método de bit de paridade? Fácil, não é?
Qualquer erro que afete um número par de bits durante a transmissão dos quadros fará com que o receptor, inadvertidamente, ache que o quadro
recebido está livre de erros de transmissão.
Saiba Mais
, Faça um exercício trocando quaisquer 2 bits no exemplo acima e veri�que que a paridade continua válida. Faça o mesmo para uma troca de 4, 6 e 8 bits. Dessa
maneira, você se convencerá. Realize, também, testes com cenários em que qualquer número ímpar de bits seja trocado. Você notará que o método de bit de
paridade detectará esses tipos de erros de transmissão.
O método de bit de paridade certamente não é muito robusto, pois deixa passar cerca de 50% dos possíveis erros que podem ocorrer (lembre-se:
erros que afetem um número par de bits).
Entretanto, esse método é interessante,pois o código de detecção de erros (EDC) é composto por um único bit. Isso quer dizer que pouco recurso da
rede é usado para transmitir informação de controle em vez de dados (que vem a ser o desejo do usuário).
Então, o método tem vantagens e desvantagens. Mas você saberia dizer em que cenário prático ele deve ser usado?
Resposta Correta
Segundo a técnica de bit de paridade bidimensional, os dados a serem transmitidos são organizados em várias linhas de modo que o emissor possa
con�gurar um bit de paridade para cada linha e um bit de paridade para cada coluna, conforme indicado a seguir.
Para cada linha de dados, um bit de paridade foi con�gurado com o objetivo de manter o número de bits 1 sempre par. O mesmo é feito a cada
coluna. O EDC, nesse caso, é formado por todos os bits em vermelho.
Agora, suponha que um dos bits da área de dados tenha sido trocado (erro de transmissão), conforme indicado adiante. O receptor será capaz de
notar que a paridade da quarta coluna está inválida (número ímpar de bits 1, marcado em azul), e que a paridade da terceira linha também está
inválida (número ímpar de bits 1, marcado em azul no diagrama).
Essa coordenada indica ao receptor exatamente qual foi o bit trocado (linha 3, coluna 4). Logo, o receptor é capaz de alternar o valor do bit,
corrigindo o erro de transmissão.
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O bit de paridade bidimensional, por ter um EDC maior e um método mais elaborado de geração de EDC, é capaz de detectar maior quantidade de
erros quando comparado ao método do bit de paridade.
Além disso, esse método é capaz de corrigir erros de transmissão que troquem o valor de um único bit. Entretanto, para que seja mais robusto, o
método requer que mais bits de controle sejam transmitidos pelo meio, ou seja, consome mais recursos.
Re�exão
, Você já deve ter notado que há um compromisso, uma troca, quando se trata de métodos de detecção de erros. Quanto mais recursos consumir um método,
mais robusto ele será quanto à detecção de erros. Por outro lado, quanto menor a quantidade de recursos (e a complexidade) de um método de detecção de erros,
menor será sua e�ciência na detecção deles., , O interessante é conhecer os diversos métodos disponíveis e saber que, para cada cenário de probabilidade de
ocorrência de erros oferecido por tipos de meios físicos, há, certamente, um método de detecção de erros que melhor se enquadra à situação.
MÉTODOS AVANÇADOS DE DETECÇÃO DE ERROS: CHECKSUM E CRC
O termo checksum, em inglês, pode ser traduzido como “soma de veri�cação”. É um método de detecção de erro muito importante, pois é usado em
duas camadas do modelo TCP/IP: rede e transporte.
Segundo o método, o emissor trata os dados a serem enviados como uma sequência de números inteiros de 16 bits. Os dados são, então,
agrupados em linhas de 16 bits, conforme mostrado no esquema a seguir.
Ao receber o quadro, o receptor realiza um procedimento análogo e calcula a soma dos bits da área de dados dividida em linhas de 16 bits. O
receptor, então, possui dois valores em mãos:
A soma dos bits de dados calculados pelo próprio receptor;
O complemento da soma calculado pelo transmissor (EDC), que veio registrado no cabeçalho do quadro.
Se não tiver ocorrido erro de transmissão, e o quadro recebido estiver exatamente igual ao quadro transmitido, a soma calculada pelo receptor
deverá equivaler ao complemento binário do EDC (complemento da soma) registrado no pacote.
Para checar se isso é verdade, o receptor realiza uma operação lógica XOR (glossário) entre a soma que calculou e o complemento da soma (EDC)
registrado no pacote.
CRC – CYCLIC REDUNDANCY CHECK
O último método de detecção de erro a ser abordado nesta aula é denominado CRC – Cyclic Redundancy Check. Uma tradução possível para o termo
é “Veri�cação de Redundância Cíclica”. É um método de detecção de erros de muita importância, pois é usado na camada de enlace de redes locais
(LAN – Protocolo Ethernet e Protocolo 802.11 Wi-�), em redes ATM, e também pelo software de compactação de arquivos ZIP.
A intuição (e a matemática) por trás do método CRC é a seguinte:
Uma chave binária “G” de r+1 bits de comprimento é pré-combinada entre o transmissor e o receptor. Por exemplo, combina-se uma chave de 4 bits
G=1001;
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O transmissor calcula o resto “R” da divisão binária (módulo 2) dos dados a serem enviados concatenados a uma sequência de r bits iguais a zero
pela chave G pré-combinada entre os pares. Suponha que os dados “D” a serem transmitidos sejam a sequência binária D=101110, então, “R” seria
calculado como resto da seguinte divisão:
Esse processo intuitivo de concatenar “r bits iguais a zero” aos dados “D” é implementado na forma de algoritmo pelos transmissores através da
parte à esquerda da seguinte formula matemática:
O destinatário, ao receber o quadro contendo dados e o EDC (“R”), recalcula seu próprio resto da divisão e o compara com o “R” que veio registrado
no campo de veri�cação de erros do quadro. Se os valores forem iguais, o receptor entenderá que o quadro está certo. Caso contrário, um erro de
transmissão será detectado.
Entre os métodos de detecção de erros discutidos nesta aula, o CRC é considerado o mais robusto. Ele também é o mais complexo, e o que requer
mais bits de controle (EDC) a serem enviados através do meio de transmissão.
Esse é mais um exemplo do compromisso/balanceamento discutido anteriormente nesta aula, quando argumentamos que métodos de detecção
menos robustos (por exemplo, bit de paridade) são mais simples e métodos mais fortes têm maior nível de complexidade.
Então, cabe aos engenheiros que projetam um padrão de nível de enlace escolher qual será o método de detecção de erros adotado conforme a
probabilidade de erros de transmissão do meio de transmissão.
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Glossário
OPERAÇÃO LÓGICA XOR
Se o resultado for uma sequência de 16 bits iguais a 1 (ou seja, o valor inteiro 65535), o receptor entenderá que o quadro foi corretamente recebido.
Caso o resultado seja um valor menor do que 65535 (ou seja, havendo, pelo menos, um bit igual a zero entre os 16 bits resultantes da operação lógica XOR), o
receptor entenderá que houve um erro de transmissão.