Camada de Enlace

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Redes de Computadores
CAMADA DE ENLACE DE DADOS
PARTE 01/02
Universidade Federal de Mato Grosso
Instituto de Computação
Prof. Dr. Luís Cézar Darienzo Alves
Introdução
Objetivos
 Fornecer uma interface de serviço bem definida à camada de rede
 Tratar erros de transmissão
 Detecção
 Correção
 Regular o fluxo de dados
Localização
Implementação
Aspectos gerais
Enquadramento
 Contagem de caracteres
Fluxo de caracteres: a) sem erros b) com um erro
Enquadramento
 Bytes de flags – inserção de bytes
a) Quadro limitado com bytes de flags
b) Exemplos de preenchimento de quadros
Enquadramento
 Flags iniciais e finais – Inserção de bits (bit stuffing)
 Violação de condição de camada física
 Aplica-se a redes cuja camada física possua algum tipo de redundância.
 Exemplo: Codificar o bit 1 como 11 e 0 como 00
a) Dados originais
b) Dados com bits de preenchimento 
c) Dados armazenados no buffer do receptor
Detecção e correção de erros
 Técnicas de detecção
 Paridade
 Checksums
 Cyclic redundancy check (CRC)
 Técnicas de correção
 Código de Hamming
 Código convolucionário binário
 Usado no 802.11
 Código de Reed-Solomon
 Código de checagem de paridade de baixa densidade
Detecção de erros - Cyclic redundancy check (CRC)
Detecção de erros - Cyclic redundancy check (CRC)
 Também denominado código polinomial
 Baseiam-se no tratamento de strings de bits como representações de 
polinômios com coeficientes 0 e 1
 Um quadro de k bits é como um polinômio de k termos variando de XK-1
até X0
 Exemplo: 110001 é descrito como X5 + X4 + X0
 Operações de adição e subtração são idênticas ao operador XOR
Detecção de erros - Cyclic redundancy check (CRC)
 Utiliza um polinômio gerador G(x)
 Ambas as extremidades devem concordar com o polinômio gerador.
 Algoritmo de envio:
1. Considerando r como o grau de G(x). Acrescente r bits zero à 
extremidade menos significativa do quadro de m bits.
a) O quadro passará a ter m + r bits
b) O quadro resultante será denominado T(x)
2. Divida a string T(x) por G(x) usando divisão de módulo 2
a) O resto conterá r ou menos bits
3. Anexe o resto ao quadro original para transmissão.
Detecção de erros - Cyclic redundancy check (CRC)
 Algoritmo de recebimento
1. Utilizando de código 2, divida o quadro T(x) por G(x)
2. Se o resto da divisão for zero
1. Aceitar o quadro 
2. Enviar para a camada três T(x) suprimindo r bits da extremidade 
menos significativa
3. Se o resto da divisão for diferente de zero
1. Rejeitar o quadro 
Detecção de erros - Cyclic redundancy check (CRC)
Detecção de erros - Cyclic redundancy check (CRC)
 Polinômios mais utilizados G(x)
Correção de erros – Código de Hamming
 Definições:
 Palavra de código (Codeword)
 Quadro formado por n bits, onde n = m + r
 m: bits de mensagem
 r: bits redundantes
 Distância de Hamming (d)
 Quantidade de bits diferentes entre duas codeword
 Obtida utilizando operação XOR
 Exemplo: Os quadros 10001001 e 10110001 possui distância 3
 d indica a quantidade de correções necessárias para tornar uma codeword em outra.
 Detecção de erros: O código de Hamming precisa ter d + 1 bits
 Correção de erros: O código de Hamming precisa ter 2d + 1 bits
 Distância Hamming do código completo
 Duas Codeword cuja distância de Hamming é mínima
 Exemplo: 
 Códigos válidos: 0000000000, 0000011111, 1111100000 e 1111111111
 Distância do código completo: 5
 Corrige erros de até 2 bits
Correção de erros – Código de Hamming
 Método
 Os bits da codeword são numerados linearmente, inciando em 1, da direita para 
esquerda
 Bits que são potência de 2 são de verificação (1, 2, 4, 8, 16 ...)
 Demais bits são de dados
 Um bit é verificado pelos bits de paridade que constituem a sua soma em base 2.
 Exemplo: O bit 11 é verificado pelos bits 1, 2 e 8, uma vez que 112 = 1011 
Correção de erros – Código de Hamming
Redes Ethernet
Visão geral
IEEE 802.3/Ethernet
 Preamble: Identifica o início do frame.
 Sequêcia de bits utilizado: 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101011
 Sequência em Hexadecimal: 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0x55 0xD5
 Endereços compostos por 8 octetos
 8 octetos iniciais identificam o fabricante
 8 octetos finais identificam a placa de um determinado fabricante
 Endereços são únicos
 Tipos de endereços suportados:
 Unicast
 Broadcast: FF:FF:FF:FF:FF:FF
IEEE 802.3/Ethernet
 Type: Identifica o tipo de protocolo utilizado na camada 3
 0x0800 – Protocolo IP
 0x0806 – Protocolo ARP (Address Resolution Protocol)
 0x8137 – Protocolo Novell Netware (para Ethernet II)
 Os valores mais usuais encontrados na prática são: 0x0800 e 0x0806
 FCS (Frame Check Sequence)
 Baseado em CRC (Cálculo polinomial)
Padrões
Padrão Tipo de cabo Formas de implementação Observação
100BASE-T
100BASE-TX
Cabos Cat. 5 ou superior
Modos half-duplex e full-duplex
100BASE-T4
Cabos Cat. 3 ou superior
Modo half-duplex
Utiliza os 4 pares para Tx/Rx
100BASE-FX Fibra multimodo
100BASE-SX Fibra monomodo
100BASE-BX
Fibra monomodo
Tx/Rx sobre uma mesma fibra
1000BASE-T Cat. 5 ou superior
1000BASE-TX Cat. 6 ou superior
Cabo coaxial (C) 1000BASE-CX
1000BASE-SX Fibra multimodo (500 metros)
1000BASE-LX Fibra monomodo (5 KM)
1000BASE-ZX Fibra ótica de 1550 nm
Fibra optica
Par trançado
Par trançado (T)
Fibra optica (X)
IEEE 802.3ab
IEEE 802.3u
Padrões
Padrão Tipo de cabo Formas de implementação Observação
Par trançado 10GBASE-T
10GBASE-SR Fibra monomodo (até 300 metros)
10GBASE-LR Fibra monomodo (até 25 KM)
10GBASE-ER Fibra monomodo (até 40 KM)
10GBASE-ZR Fibra monomodo (até 80 KM/STM-64)
10GBASE-LX4 Fibra multimodo e monomodo (2 pares)
Fibra optica
IEEE 802.3ae
Cabeamento
Pino a pino
Crossover
Console
CSMA/CD
 Carrier Sense
 Incluído na interface de rede
 Detecta se a interface está conectada em uma rede Ethernet
 Multiple Access
 Permite que múltiplos hosts acessem a rede sem uma regra determinística de acesso 
ao meio
 Collision Detection
 Permite às interfaces suspenderem a transmissão assim que detectam uma colisão
 Reduz a duração das colisões
 Fatores envolvidos:
 Ethernet round trip time: Tempo de deslocamento de um quadro de uma interface a outra 
no seu domínio de colisão
 Interframe gap: Distância mínima e segura entre os quadros
 Jam Signal: Sinal enviado para informar que ocorreu uma colisão
 Wait standoff period: Tempo pseudo-aleatório para o reenvio do quadro
Dispositivos
 HUB
 Dispositivo de camada 1
 Hub não lê endereço de camada 2; isto lhe confere 
rapidez
 Hub envia o frame para todas as portas exceto a 
de entrada (flood).
 Desvantagem
 Um HUB ou uma série de HUBcascateados formam 
um único domínio de colisão.
Dispositivos
 Repetidores
 Ampliam o alcance de uma rede ethernet
 Regenera sinais atenuados (enfraquecidos)
 Não permitem conectar diferentes tecnologias
 Retransmitem quadros com erros
 Bridges
 Interligam duas redes, inclusive de diferentes tecnologias
 Não retransmitem quadros com erro
 São mais lentas que os repetidores
Dispositivos
 Switches
 Também conhecidos como “learning bridges” ou “learning switches
 Analisa cada quadro individualmente e o retransmite apenas à porta 
conectada à interface de destino
 Possui uma MAC Address Table
 Registra o mapeamento endereço MAC/Porta
 Armazenada em memória RAM
 Permite dividir a rede em domínios de colisõesDomínios de colisão
Switches – Preenchimento da MAC Address Table
Switches – Preenchimento da MAC Address Table
Switches – Preenchimento da MAC Address Table
Switches - Hierarquias
Address Resolution Protocol (ARP)
Address Resolution Protocol (ARP)
Address Resolution Protocol (ARP)
Address Resolution Protocol (ARP)
 ARP Cache
 Mantém em cache as entradas ARP ativas
 Tempo de expiração: 20 minutos
 Comando Windows e GNU/Linux
 arp -a
Reverse Address Resolution Protocol (RARP)
Redes Ethernet
802.1D - Spanning Tree Protocol (STP)
Contextualização
 Protocolo de gerenciamento de links
 Prove a redundância de caminhos
 Evita loops em redes Ethernet
Contextualização
 O propósito do STP é evitar e eliminar loops na rede ao negociar um 
caminho loop-free (sem loop) através da root bridge (ponte raiz).
Conceitos chaves
 Cálculos STP fazem uso extensivo de dois parâmetros:
 Bridge ID = BID
 Custo
Bridge ID (BID)
 Bridge ID (BID) é usada para identificar cada bridge/ switch e para 
determinar o centro da rede (root bridge)
Path Cost – Revised Spec (Non-Linear)
 Bridges usam o conceito de custo para avaliar a sua “proximidade” de 
outras bridges.
 Pode-se mudar o custo do caminho mudando o custo da porta, mas 
tenha cuidado ao fazer isto.
 BID e Custo do Caminho (Path Cost) são usados para desenvolver uma 
topologia loop-free.
Convergência STP
 Algoritmo
1. Eleger uma root bridge
2. Passo 2 – Eleger root ports
3. Passo 3 – Eleger designated ports
 Processo realizado a cada 2 segundos através de BPDU
Convergência STP
 Quando a rede inicializa, todas as bridges anunciam uma mistura caótica 
de BPDUs.
 Todas as bridges imediatamente começam a aplicar o algoritmo de 
eleição
 Switches precisam eleger uma única root bridge.
 Switch com a menor BID ganha.
 Crtérios de desempate
1. Lowest BID (menor BID)
2. Lowest path cost to root bridge (caminho de menor custo até a root bridge)
3. Lowest sender BID 
4. Lowest port priority (menor prioridade de porta)
5. Lowest port ID (menor ID de porta)
Eleição – Root Bridge
 O switch com a menor BID se torna a root bridge. 
 O root switch pode ser escolhido reduzindo a prioridade naquele switch, abaixo 
do default de 32768. 
 Existem dois modos de baixar a prioridade de um switch para fazê-lo root bridge:
 Switch-2(config)#spanning-tree vlan 1 root primary
 Switch-2(config)#spanning-tree vlan 1priority 4096
Root Bridge
Eleição – Root Ports
Eleição – Root ports
Eleição – Root ports
Eleição – Root ports
Eleição – Root ports
Eleição – Designated ports
 A prevenção de loop do STP se torna evidente durante este passo, 
elegendo as designated ports.
 Uma designated port funciona como a única bridge port que envia e 
recebe tráfego de/para o segmento e a root bridge.
 Cada segmento numa rede de bridges tem uma designated port, 
escolhida com base no Root Path Cost acumulado para a root bridge. 
 O switch contendo a designated port é conhecido como a designated
bridge para aquele segmento.
Eleição – Designated ports
Eleição – Designated ports
Estados das portas
Estados das portas
Redes Ethernet
Virtual Local Area Network (VLANs)
Definição
Conjunto de estações finais com os mesmos requisitos,
independentemente da localização física.
VLANs possuem os mesmos atributos de uma LAN física, no
entanto, permitem agrupar estações finais que estejam localizadas
mesmos se as estações não estiverem localizadas fisicamente no
mesmo segmento. (CISCO)
Introdução
 VLANs são usadas para segmentar redes e proporcionam escalabilidade, 
segurança e gerência
 VLANs se comunicam por meio de roteadores
 Os switches são interligados por VLAN trunks
Introdução
 Durante a operação de broadcast de camada 2, em switch sem VLANs, 
todas as portas são inundadas com o quadro;
Introdução
 Cada VLANs constitui um domínio de broadcast
 Cada porta do switch pode ser designada para atuar em uma VLAN 
diferente
Introdução
 Tipos de VLANs
 Estáticas
 Configuração fixa por porta;
 Conforme um dispositivo ingressa na rede, ele automaticamente assume a 
VLAN membership da porta na qual está conectado;
 Também denomidas Static membership VLANs, port-based e port-centric
membership VLANs. 
 Dinâmicas
 VLANs dinâmicas permitem que a filiação (membership) ocorra com base 
no endereço MAC do dispositivo conectado à porta do switch. 
 Quando um dispositivo ingressa na rede envia uma query (consulta) para 
uma base de dados dentro do switch para obter sua VLAN membership.
Introdução
VLANs estáticas
VLANs dinâmicas
VLAN Trunking/Tagging
VLAN Trunking/Tagging
 VLAN Tagging é usado quando um link precisa transportar tráfego de/para 
mais de uma VLAN.
 Trunk link: Conforme os pacotes são recebidos pelo switch, vindos de 
qualquer estação de trabalho, a Unique Packet Identifier é adicionada a 
cada cabeçalho. 
 Esta informação de cabeçalho designa a VLAN membership de cada 
pacote. 
VLAN Trunking/Tagging
 IEEE 802.1Q
 Insere apenas 4 bytes adicionais no quadro Ethernet.
 A tag 802.1Q é inserida pelo switch antes do envio do quadro para o trunk link.
 O switch remove a tag 802.1Q antes de enviar o quadro para um link que não 
seja um trunk link.
VLAN Trunking/Tagging
VLAN Trunking/Tagging
 IEEE 802.1ad (QinQ)
 Permite o transporte de VLANs dentro de outra VLAN
 Utilizado em redes metropolitanas para transporte das redes dos clientes
VLAN Trunking/Tagging
 Exemplo IEEE 802.1ad (Q-in-Q)
VLAN Trunking/Tagging
Configurando VLANs - Cisco
 Visualizar a configuração das VLANs
switch# show vlan
switch# show vlan brief
 Criando a VLAN 11 e configurando a fa0/1 para operar nessa VLAN
switch#conf t
switch(config)#vlan 11
switch(config-vlan)#name teste
switch(config-vlan)#exit
switch(config)#int fa0/1
switch(config-if)#switchport mode access
switch(config-if)#switchport access vlan 11
switch(config-if)#end
 Selecionar um range de portas
switch(config) #interface range fastEthernet 0/1 - 10
Configurando VLANs - Cisco
 Configurando a interface fa 0/24 para operar em modo Trunk e permitir o 
transporte de todas as VLANs
Switch(config)#interface fa0/14
Switch(config-if)#switchport mode trunk
Switch(config-if)#switchport trunk allowed vlan all 
Roteamento inter-VLANs
 Uma opção é usar um link separado no roteador para cada VLAN ao invés 
de utilizar trunk links.
 Embora a medida proporcione balanço de carga entre VLANs, pode não 
oferecer um uso eficiente em links com pouco tráfego.
Roteamento inter-VLANs
 Uso de interfaces lógicas
Roteamento inter-VLANs
 Configurando uma subinterface para trafegar a VLAN 10
Router#conf t
Router(config-if)#int fa 0/1.1
Router(config-subif)#description vlan 10
Router(config-subif)#encapsulation dot1Q 10
Router(config-subif)#ip address 10.10.0.1 255.255.255.0
ic@redes# shutdown –h +0