Arquitetura de Redes de Computadores - Aula 3

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Arquitetura de Redes
(Infraestrutura de Redes)
Aula 3 - Protocolos de enlace e protocolos de
acesso múltiplo
INTRODUÇÃO
Nesta aula, estudaremos as principais soluções para duas classes de protocolos de acesso ao meio: Particionamento
de Canais e Revezamento.
Vamos lá!
OBJETIVOS
Diferenciar enlaces ponto a ponto e enlaces compartilhados;
Reconhecer os protocolos de Particionamento de Canal;
Identi�car os protocolos de Revezamento (passagem de token).
ENLACES PONTO A PONTO E ENLACES COMPARTILHADOS
Canais de comunicação (ou enlaces de dados) podem ser basicamente divididos em duas classes:
Enlaces ponto a ponto
Um enlace é dito ponto a ponto quando há apenas uma interface de rede em cada ponta: um
emissor e um receptor, conforme mostrado a seguir.
Redes que implementam esse tipo de enlace não precisam se preocupar com o fato de que
dois transmissores concorrentes podem desejar transmitir ao mesmo tempo.
Enlaces de difusão
Os enlaces de difusão são um tipo de canal de comunicação muito mais comum em redes
de computadores. Eles podem ter várias interfaces de rede remetente e vários receptores,
todos compartilhando o mesmo meio de comunicação. Quando uma interface emite um
sinal representando bits, todas as outras interfaces notarão que há algo sendo transmitido.
Fonte da Imagem:
Quando o meio de comunicação é compartilhado, um problema adicional aparece: a coordenação do acesso de vários
nós remetentes a um canal de difusão compartilhado. E é chamado de problema do acesso múltiplo. Como contornar
esse problema?
Para contorná-lo, a camada de enlace que opera sobre meios compartilhados deve prover algum protocolo de acesso
múltiplo para coordenar o acesso concorrente de transmissores ao meio.
pogonici / Shutterstock
Existem diversos exemplos de redes que usam enlaces compartilhados. Por exemplo, canais de rádio e canais de
televisão são transmitidos através do ar (ou cabo, em redes de TV a cabo).
Então, como diversos canais compartilham o mesmo meio de transmissão?
Para esse exemplo, tipicamente, são usados os protocolos de acesso ao meio chamados de protocolos de
particionamento de canal.
Redes locais (LANs cabeadas (ethernet) ou sem �o (Wi-�)) também são baseadas em enlaces compartilhados.
Entretanto, como a característica do tráfego que passa por esse tipo de rede é fundamentalmente diferente do caso
anterior (rádio/tv), são usados os protocolos de acesso ao meio chamados protocolos de acesso aleatório. Essa
classe será estudada na próxima aula.
Redes de dados que compartilham o mesmo meio de comunicação de TVs a cabo são comumente classi�cadas como
meios de acesso misto. Para esses casos, são usados protocolos do tipo revezamento ou suas variantes.
Há, também, o meio humano de comunicação.
Já parou para pensar como é o protocolo de comunicação entre pessoas em um coquetel, por exemplo? Como ocorre
a coordenação de transmissões e receptores para que alguma ordem seja estabelecida de forma que as pessoas
possam se entender? A�nal, o ar é um meio compartilhado, nossa transmissão, o som, é difundida a todos em um
razoável raio de alcance.
Não intuitivamente, e culturalmente, somos treinados a regular a potência de nossa voz de forma a não atrapalhar
outras comunicações, além de coordenar, com o máximo de educação possível, a vez de cada pessoa falar em uma
roda de colegas. Lembre-se: se todos falarem ao mesmo tempo em um volume de voz mais ou menos equivalente,
ninguém entenderá o que está sendo dito.
Dabarti CGI / Shutterstock, Christos Georghiou / Shutterstock e michaeljung / Shutterstock
O trabalho de coordenar a transmissão de interfaces de comunicação ativas é o objetivo fundamental dos protocolos
de acesso ao meio usados em enlaces compartilhados. Um protocolo de acesso múltiplo ideal deve possuir quatro
características fundamentais quando atua sobre um enlace compartilhado de taxa de transmissão R bps:
PROTOCOLOS DE PARTICIONAMENTO DE CANAL
Protocolos de particionamento de canal dividem o canal de comunicações em partes, fornecendo uma delas a cada
transmissor presente. Essa qualidade é interessante, pois garante a característica número 2 de um protocolo de
acesso múltiplo ideal.
Entretanto, como cada transmissor tem uma partição do canal reservada a ele, haverá ociosidade caso um não deseje
transmitir dados em sua partição, pois ninguém mais terá permissão de transmitir nela. Com isso, protocolos de
particionamento de canal não atendem à característica número 1 de um protocolo ideal.
Existem diversas maneiras de se particionar um canal para vários transmissores. A primeira delas é a multiplexação
por divisão de tempo (TDM – Time Division Multiplexing). Esse método será ilustrado a seguir, para um exemplo com 4
transmissores.
O Tempo é dividido em quadros temporais. Pense em um quadro temporal como se fosse uma rodada de
oportunidades. Cada quadro é dividido em compartimentos de tempo.
Note que o usuário A, após transmitir seu quadro de dados azul em seu compartimento de tempo na primeira rodada
temporal, teve que esperar até o início da próxima rodada para transmitir outro quadro de dados, mesmo notando que
os usuários B, C e D não utilizaram seus compartimentos de tempo na primeira rodada. Isso ocorre porque os
compartimentos de tempo são reservados a cada usuário, e essa é a razão pela qual a característica número 1 de um
protocolo ideal (glossário) não é atingida.
Por �m, se você imaginar que todos os 4 emissores sempre desejam transmitir quadro de dados, como cada um
respeitará o protocolo TDM e transmitirá um quadro apenas em seus compartimentos de tempo, a capacidade do canal
será igualmente dividida entre os transmissores. Isso garante a característica 2 de um protocolo ideal (glossário) de
acesso ao meio.
As características 3 e 4 de um protocolo ideal de acesso múltiplo são sempre garantidas para protocolos de
particionamento de canal, pois estes são protocolos descentralizados (não dependem de uma interface de rede
mestre), e são de simples implementação.
De fato, é bem conhecido o fato de que protocolos de particionamento de canal se saem bem quando são aplicados a cenários
em que os transmissores estão sempre emitindo dados, como é o caso de difusão de rádio, televisão e telefone.
Por outro lado, quando forem usados em cenários em que o transmissor emite dados apenas eventualmente, esses protocolos
terão baixa e�ciência, já que os compartimentos de tempo não usados por um transmissor permanecerão reservados a ele,
mesmo sem uso, o que fará com que haja aumento da ociosidade da rede.
Fukurou / Shutterstock
Atenção
, Lembre-se: em um protocolo de particionamento de canal, com M transmissores e um enlace de R bps, mesmo que apenas um
transmissor deseje transmitir dados, ele só conseguirá usar R/M bps.
Até agora, estudamos um protocolo de particionamento de canal, o TDM. Entretanto, há pelo menos dois outros
protocolos, que veremos a seguir.
PROTOCOLO DE PARTICIONAMENTO DE CANAL FDM
O FDM (glossário) em vez de dividir o enlace em compartimentos de tempo, realiza o particionamento do enlace
através da criação de canais de frequência.
Desse modo, vários transmissores podem transmitir dados simultaneamente, mas usando um canal de frequência
especí�co, não havendo interferência/colisão entre os transmissores. Entretanto, como cada canal de frequência é
reservado a cada transmissor, esse protocolo tem as mesmas vantagens e desvantagens discutidas no protocolo TDM.
A imagem abaixo ilustra o mesmo cenário de 4 emissores A, B, C, D, onde A e D possuem dados a serem enviados.
PROTOCOLO DE PARTICIONAMENTO DE CANAL CDMA
O último método de particionamento de canal a ser abordado é o CDMA (glossário). Nesse protocolo, cada transmissor
da rede recebe um código CDMA exclusivo. Os códigos CDMA são cuidadosamente calculados, de forma a permitir
que transmissões concorrentes no mesmo canal de frequência possam ser extraídas umas das outras pelo receptor.
A imagem a seguir representa dois transmissores (na parte superior) transmitindo dois bits cada um,simultaneamente.
O emissor 1 emite dois bits de dados d0=1 e d1=0 (-1). O emissor 2 emite dois bits de dados d0 = 1 e d1 = 1. Cada
emissor multiplica seu bit de dados pelo seu código CDMA exclusivo, e o sinal emitido por cada um deles é o resultado
dessa multiplicação. Neste exemplo, o código CDMA exclusivo do transmissor 1 é (1, 1, 1, -1, 1, -1, -1, -1), e o código
CDMA exclusivo do transmissor 2 é (1, -1, 1, 1, 1, -1, 1, 1). O sinal Z que passa pelo canal é o resultado da soma do sinal
emitido por cada transmissor. Veja:
Quando os dados chegam ao receptor, ele será capaz de extrair cada bit de dado enviado por um emissor efetuando a
convolução dos dados recebidos com o código exclusive do transmissor do qual se deseja receber dados. No exemplo,
o receptor foi capaz de extrair os bits d0 = 1 e d1 = 0(-1) vindos do emissor 1.
PROTOCOLOS DE REVEZAMENTO (POLLING)
Protocolos de revezamento buscam se aproximar de duas das 4 características desejáveis de um protocolo de acesso
múltiplo ideal: a característica número 1 (glossário) e a característica número 2 (glossário).
Embora consigam unir essas duas características com algum sucesso, protocolos de revezamento comumente pecam
em pelo menos uma das outras duas características: número 3 (glossário) e/ou número 4 (glossário).
Por exemplo, nos protocolos de polling, o nó mestre cria uma lista circular dos emissores presentes na rede e envia um
pacote de controle a cada um deles, perguntando se há necessidade de transmissão. Em caso positivo, o emissor tem
permissão para emitir um quadro de dados, em caso negativo, o mestre realiza a pergunta ao próximo. No exemplo a
seguir, o nó mestre está perguntando ao Emissor 1 se ele deseja transmitir um quadro de dados.
Com isso, nesse cenário onde apenas um emissor deseja transmitir dados, a taxa total de transmissão dele irá se
aproximar com sucesso da capacidade R de transmissão do canal. Com isso, o protocolo de polling se aproxima da
característica número 1 desejável em protocolos de acesso múltiplo.
Por outro lado, se todos os M nós presentes na rede desejam transmitir dados, então, o nó mestre coordenará as
oportunidades de maneira igualitária, e cada nó conseguirá transmitir a uma taxa próxima de R/M bps. Uma pequena
fração da capacidade da rede será consumida pelo mestre para enviar seus pacotes de controle.
Você deve ter notado que o protocolo de polling possui as características 1 e 2 de um protocolo de acesso múltiplo
ideal. Entretanto, a característica 3 (ser descentralizado) é deixada de lado já que há a necessidade de um nó mestre
coordenando as oportunidades de transmissão. Obviamente, se o nó mestre falhar, a rede estará com sérios
problemas.
PROTOCOLOS DE REVEZAMENTO (PASSAGEM DE TOKEN)
Outro protocolo de acesso múltiplo por revezamento, chamado de protocolo de passagem de token (permissão) tem a
vantagem de não depender de um único nó mestre. Nesse protocolo, o token viaja entre os emissores. O emissor que o
detém tem permissão de transmitir um quadro de dados e, logo depois, deve passar o token ao próximo emissor.
A imagem a seguir ilustra como o protocolo de passagem de token funciona sem um nó mestre. O Emissor 1 está com
a permissão para transmitir. Após transmitir um quadro de dados, ele deve passar o token ao Emissor 2. Se não desejar
transmitir, basta passar o quadro adiante.
Agora, �nalizaremos esta aula com uma atividade.
Marque a opção que apresenta a correlação correta:
1. O protocolo de acesso ao meio que divide o canal em compartimentos de tempos que são reservados a cada
transmissor.
2. O protocolo de acesso ao meio que divide o canal em subcanais de frequência que são reservados a cada
transmissor.
3. O protocolo de acesso múltiplo que funciona através de um nó mestre que coordena a vez de cada transmissor
emitir dados.
4. O protocolo de acesso múltiplo que funciona com a ideia de que o único nó livre para emitir em um dado momento é
o que detém um pacote de controle especial que dá permissão a esse transmissor.
1 – TDMA / 2 – Polling / 3 – FDMA / 4 – Token.
1 – Polling / 2 – TDMA / 3 – FDMA / 4 – Token.
1 – Token / 2 – FDMA / 3 – TDMA / 4 – Polling.
1 – TDMA / 2 – FDMA / 3 – Polling / 4 – Token.
Justi�cativa
Glossário
NÚMERO 1 DE UM PROTOCOLO IDEAL
Quando apenas um nó transmite, ele usa toda a capacidade do enlace.
CARACTERÍSTICA 2 DE UM PROTOCOLO IDEAL
Quando vários transmissores emitem dados simultaneamente, cada transmissor deve ter uma fração igualitária da taxa de
transmissão.
FDM
Frequency Division Multiplexing (Multiplexação por Divisão de Tempo).
CDMA
Code Division Multiple Access (Acesso Múltiplo por Divisão de Código).
NÚMERO 1
Quando apenas um nó está ativo, este tem uma versão de R bps.
NÚMERO 2
Quando M nós estão ativos, então, cada nó ativo tem uma vazão de mais ou menos R/M bps.
NÚMERO 3
Ser descentralizado - não ter um nó mestre.
NÚMERO 4
Ser simples e de implementação barata.