Aula 1 - Conceito de Redes de Computadores e de Internet

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6. Camada 2 – Enlace 
A camada de enlace de dados trata de algoritmos que permitem uma comunicação eficiente e confiável entre 
dois computadores adjacentes. Por adjacentes, queremos dizer que as duas máquinas estão fisicamente 
conectadas por meio de um canal de comunicação que funciona conceitualmente como um fio (por exemplo, 
um cabo coaxial, uma linha telefônica ou um canal sem fio ponto a ponto). A característica de um canal que o 
torna semelhante a um fio é fato de que os bits são entregues na ordem exata em que são enviados. 
As principais funções que a camada de enlace de dados executa são: 
• conexão dos enlaces, ativação e desativação. Estas funções incluem o uso de facilidades multiponto 
físico para suportar conexões entre funções da camada de rede 
• mapeamento de unidades de dados para a camada de rede dentro das unidades do protocolo de enlace 
para transmissão 
• multiplexação de um enlace de comunicação para várias conexões físicas 
• delimitação de unidades de transmissão para protocolos de comunicação 
• deteção, notificação e recuperação de erros 
• identificação e troca de parâmetros entre duas partes do enlace 
• Fornecer uma interface de serviço bem definida à camada de rede. 
• Lidar com erros de transmissão. 
• Regular o fluxo de dados, de tal forma que receptores lentos não sejam atropelados por transmissores 
rápidos. 
6.1. Serviços oferecidos à camada de rede 
A camada de enlace de dados deve fornecer serviços à camada de rede. O principal serviço 
é transferir dados da camada de rede da máquina de origem para a camada de rede da máquina de 
destino. Na camada de rede da máquina de origem, há uma entidade chamada processo que 
entrega alguns bits à camada de enlace de dados para transmissão ao destino. A tarefa da camada 
de enlace de dados é transmitir os bits à máquina de destino, de forma que eles possam ser 
entregues à camada de rede dessa máquina, como mostra a Figura 29 (a). A transmissão 
propriamente dita segue o trajeto descrito na Figura 29 (b); no entanto, é mais fácil pensar em 
termos de dois processos da camada de enlace de dados que se comunicam por intermédio de um 
protocolo de enlace de dados. 
 
Figura 29: (a) Comunicação virtual. (b) Comunicação real. 
A camada de enlace de dados pode ser projetada de modo a oferecer diversos serviços, que podem variar de 
sistema para sistema. Três possibilidades razoáveis oferecidas com frequência são: 
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• Serviço sem conexão e sem confirmação. 
• Serviço sem conexão com confirmação. 
• Serviço orientado a conexões com confirmação. 
O serviço sem conexão e sem confirmação consiste em fazer a máquina de origem enviar quadros 
independentes à máquina de destino, sem que a máquina de destino confirme o recebimento desses 
quadros. Nenhuma conexão lógica é estabelecida antes ou liberada depois do processo. Se um quadro 
for perdido devido a ruídos na linha, não haverá nenhuma tentativa de detectar a perda ou de 
recuperá-lo na camada de enlace de dados. Essa classe de serviço é apropriada quando a taxa de erros 
é muito baixa, e a recuperação fica a cargo de camadas mais altas. 
O próximo passo em termos de confiabilidade é o serviço sem conexão com confirmação. Quando esse 
serviço é oferecido, ainda não há conexões lógicas sendo usadas, mas cada quadro enviado é 
individualmente confirmado. Dessa forma, o transmissor sabe se um quadro chegou corretamente ou 
não. Caso não tenha chegado dentro de um intervalo de tempo específico, o quadro poderá ser 
enviado outra vez. Esse serviço é útil em canais não confiáveis, como os sistemas sem fio. 
O serviço mais sofisticado que a camada de enlace de dados é capaz de oferecer à camada de rede é o 
serviço orientado a conexões. Com ele, as máquinas de origem e destino estabelecem uma conexão 
antes de os dados serem transferidos. Cada quadro enviado pela conexão é numerado, e a camada de 
enlace de dados garante que cada quadro será de fato recebido. Além disso, essa camada garante que 
todos os quadros serão recebidos uma única vez e na ordem correta. 
6.2. Enquadramento 
Para executar suas funções, a camada de rede utiliza uma estrutura chamada “quadro” onde organiza os dados 
que recebe da camada de rede, encapsulando em um campo de carga útil (payload), adiciona um cabeçalho 
(header) com endereços de origem e destino e outras informações de controle e um campo com informações 
para conferir se não houve erros na transmissão, chamado de trailer. A Figura 30 mostra o um hospedeiro 
encapsulando o pacote recebido da camada de rede em um quadro e enviando à camada inferior. No 
hospedeiro receptor, a camada de enlace recebe os bits da camada física, agrupa-os em um quadro, extrai o 
pacote do campo payload e envia-o à camada de rede. 
 
 
Figura 30: Encapsulamento de um pacote em um quadro. 
Para prover serviço à camada de rede, a camada de enlace deve utilizar o serviço provido pela camada física. A 
camada física recebe uma sequência de bits que não tem garantia contra erros, podendo receber 
eventualmente mais ou menos bits do que os transmitidos, assim como podem ter os seus valores alterados. É 
função da camada de enlace detetar e se possível corrigir erros. 
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A abordagem usual é quebrar a sequência de bits em uma estrutura chamada quadro e calcular o checksum 
para cada quadro e anexar o valor ao quadro. No receptor, o checksum é recalculado e comparado ao valor do 
checksum transmitido. Se forem diferentes, a camada de enlace saberá que houve erro na transmissão, 
descartando o quadro recebido. 
A menor unidade de dados (PDU – Protocol Data Unit) que o camada de enlace pode enviar/receber é o quadro. 
 
Figura 31: quadro Ethernet. 
Como exemplo de quadro, a Figura 31 exibe o quadro da tecnologia Ethernet. Abaixo, o significado de cada 
campo: 
• Preâmulo - 8 bytes, constituído de "0"s e "1"s alternados que serve essencialmente para sincronizar os 
receptores 
• Endereços de Destino e Origem - 6 bytes, informam o endereço físico do emissor e do receptor do 
quadro. 
• Tipo: indica o protocolo da camada superior, usualmente IP, mas existe suporte para outros (tais como 
IPX da Novell e AppleTalk) 
• Data – os dados efetivamente transportados. 
• CRC - Cyclic Redundancy Check ou verificação de redundância cíclica. É um valor calculador para a 
verificação de erros de transmissão pelo receptor. Caso um erro seja detetado, o quadro será 
descartado 
6.3. Controle de erros 
6.3.1. Características dos erros 
• São inevitáveis em qualquer sistema de comunicação real 
• A distribuição dos erros não é homogénea: bits isolados ou em “rajadas” (bursts) de erros, com 8 ou 
mais bits sucessivos errados; 
• Deve-se levar em conta o meio físico de transmissão de dados, para incluir maior ou menor 
redundância na transmissão, a fim de garantir que a informação recebida seja confiável. 
6.3.2. Possíveis abordagens no tratamento de erros: 
• Ignorar o erro; 
• Eco (transmissão à origem de reflexos dos dados recebidos); 
• Sinalizar o erro; 
• Detectar e solicitar a retransmissão em caso de erro; 
• Detectar e corrigir os erros na recepção de forma automática 
6.3.3. Códigos de Detecção de Erros 
• Detectar um erro é uma tarefa mais simples do que detectar e corrigir; 
• Nem sempre é possível solicitar uma retransmissão; 
• Todos os métodos utilizam a inserção de bits extras; (Esses bits podem ser obtidos a partir da 
informação original e o receptor recalcula os bits extras) 
• Um método ineficiente, mas muito utilizado par a detectar erros é a Paridade; 
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• Um método mais eficiente é o uso de um código polinomial ou CRC (CyclicRedundancy Check); 
6.3.4. Paridade simples 
Como um exemplo simples de código de detecção de erros, imagine um código no qual um único bit de 
paridade é acrescentado aos dados. O bit de paridade é escolhido de forma que o número de bits 1 da palavra 
de código seja par (ou ímpar). Por exemplo, quando 1011010 é enviado com paridade par, é acrescentado um 
bit ao final para formar 10110100. Com paridade ímpar, 1011010 passa a ser 10110101. O receptor refaz o 
cálculo e compara o bit de paridade calculado com o bit de paridade recebido. Se forem diferentes, houve erro 
na transmissão. 
• Paridade par – o bit anexado serve para tornar a quantidade total de bits 1 par 
Dado paridade 
10101010 0 
01010111 1 
11010001 0 
11101010 0 erro 
 
• Paridade ímpar – o bit anexado serve para tornar a quantidade total de bits 1 ímpar 
Dado paridade 
10101010 1 
01010111 0 
11010001 1 
01010111 1 erro 
 
Observações para a paridade com 1 bit: 
• Permite detetar uma quantidade ímpar de erros. Uma quantidade par de erros passaria despercebida. 
• Não permite localizar o erro. 
6.3.5. Paridade bidirecional 
Utilizando paridade bidirecional, verifica-se erros em um bloco de dados transmitidos. Entendendo-se o bloco 
de dados como uma matriz, calcula-se a paridade para cada linha e para cada coluna, agregando-se mais uma 
coluna (paridade horizontal) e uma linha (paridade vertical). 
Com a paridade bidirecional é possível não apenas detetar um erro, mas também corrigí-lo: 
dados paridade dados paridade 
1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 
0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 
1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 erro 
0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 
0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 
correto erro 
Figura 32: paridade bidirecional. 
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6.4. Controle de fluxo 
Outra questão importante que ocorre quando um transmissor quer enviar quadros mais rapidamente do que o 
receptor é capaz de aceitar. Essa situação pode ocorrer com facilidade quando o transmissor está funcionando 
em um computador rápido (ou levemente carregado) e o receptor está utilizando um computador lento (ou 
fortemente carregado). Sem dúvida, algo deve ser feito para impedir que essa situação ocorra. São usadas 
comumente duas abordagens. Na primeira, chamada controle de fluxo baseado em feedback, o receptor envia 
de volta ao transmissor informações que permitem ao transmissor enviar mais dados, ou que pelo menos 
mostram ao transmissor qual a situação real do receptor. Na segunda, chamada controle de fluxo baseado na 
velocidade, o protocolo tem um mecanismo interno que limita a velocidade com que os transmissores podem 
enviar os dados, sem usar o feedback do receptor. 
6.5. Endereçamento 
Um hospedeiro ou equipamento de rede possuirá tantos endereços de camada de enlace quanto forem as 
interfaces que os liguem a(s) rede(s). Esses endereços são gravados no hardware das interfaces e, por isso, são 
chamados de endereços físicos. No passado, esses endereços não poderiam ser alterados. Atualmente, é 
possível alterá-los por software. A Figura 33 exibe o endereço MAC, definido pelo IEEE (Instituto dos Engenheiros 
Elétricos e Eletrônicos) onde três são definidos pelo IEEE para cada fabricante e os outros três bytes são 
designados pelo fabricante à cada interface fabricada, para garantir nunca haver duas placas com o mesmo 
endereço físico, o que não é mais uma realidade atualmente. 
 
Figura 33: Endereço MAC. 
Diferente da camada física, a camada de enlace, através da organização de bits em quadros, consegue 
identificar informações nos campos, permitindo, entre outras, localizar endereços dos hospedeiros remetente e 
destinatário. Isso é importante em uma rede tipo barramento, onde vários hospedeiros recebem um mesmo 
quadro, saber se esse quadro é destinado à ele. Sendo à ele destinado, o processamento da camada de enlace 
desencapsulará os dados do payload e repassará à camada acima. Em caso contrário, o quadro será descartado. 
6.6. Protocolo de camada de enlace 
Como ter certeza de que todos os quadros serão entregues na camada de rede de destino, e na ordem 
apropriada? A forma mais comum de garantir uma entrega confiável é dar ao transmissor algum tipo de 
feedback sobre o que está acontecendo no outro extremo da linha. Normalmente, o protocolo solicita que o 
receptor retorne quadros de controle especiais com confirmações positivas ou negativas sobre os quadros 
recebidos. Se receber uma confirmação positiva sobre um quadro, o transmissor saberá que o quadro chegou 
em segurança ao destino. Por outro lado, uma confirmação negativa significa que algo saiu errado e que o 
quadro deve ser retransmitido. 
Uma complicação adicional decorre da possibilidade de problemas de hardware fazerem com que um quadro 
desapareça completamente (por exemplo, em uma rajada de ruídos). Nesse caso, o receptor não reagirá de 
forma alguma, pois não há motivo para isso. Deve ficar claro que um protocolo no qual o transmissor envia um 
quadro e depois espera por uma confirmação, positiva ou negativa, permanecerá suspenso para sempre caso 
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um quadro tenha sido completamente perdido, por exemplo, em consequência de mau funcionamento do 
hardware. 
Essa possibilidade é tratada com a introdução de timers na camada de enlace de dados. Quando o transmissor 
envia um quadro, em geral ele também inicializa um timer. O timer é ajustado para ser desativado após um 
intervalo suficientemente longo para o quadro chegar ao destino, ser processado e ter sua confirmação enviada 
de volta ao transmissor. Em geral, o quadro será recebido de forma correta e a confirmação voltará antes de se 
alcançar o timeout (tempo limite) do timer e, nesse caso, o timer será cancelado. 
Um sistema de computação funciona em função da transferência de informação desde o nível de circuito 
integrados até aos níveis mais altos, como por exemplo gravação no disco ou comunicação entre 
computadores. 
A camada de enlace de dados pode ser projetada de modo a oferecer diversos serviços onde três costumam ser 
oferecidos com frequência: 
• Serviço sem conexão e sem confirmação - consiste em fazer com que o hospedeiro de origem envie 
quadros independentes ao hospedeiro de destino, sem a confirmação do recebimento dos mesmos. 
Quadros não recebidos ou recebidos com erros são simplesmente perdidos. As camadas superiores 
devem tratar dessa ocorrência; 
• Serviço sem conexão com confirmação - consiste em fazer com que o hospedeiro de origem envie 
quadros independentes ao hospedeiro de destino, com a confirmação do recebimento dos mesmos. 
Caso o hospedeiro de destino não confirme o recebimento de algum quadro, o hospedeiro de origem 
supõe que o quadro não foi recebido ou foi recebido com erro. Isso permite que o quadro seja 
reenviado. 
• Serviço orientado a conexões com confirmação – consiste da realização de uma confirmação anterior a 
transmissão do primeiro quadro de dados de que o hospedeiro receptor está pronto para receber 
quadros e na combinação dos parâmetros dessa comunicação. 
A utilização de serviços orientados a conexão e a confirmação de recebimento tornam a comunicação mais 
lenta, logo costumam ser utilizados apenas quando necessário. Por exemplo, a confirmação de recebimento e o 
reenvio do quadro costumam ser utilizados apenas em meios sujeitos a uma alta taxa de perda, como em redes 
sem fio. Enlaces de fibra óptica, que costumam ter taxas de perdas muito baixas, não costumam realizar o 
reenvio de quadros. 
6.6.1. Protocolo Stop-and-Wait 
Protocolo mais simples de camada de enlace, onde o transmissor envia um quadro de dados e aguarda que o 
receptor responda com um quadro ACK - acknowlegment, reconhecendo que houve o recebimento do quadro 
de dados transmitido.Apenas após o recebimento do ACK o transmissor está habilitado a transmitir o próximo 
quadro de dados. 
Na prática, esse protocolo não funciona, pois na ocorrência de um erro ou perda de um quadro de dados ou de 
um ACK a comunicação é interrompida. 
6.6.2. Protocolo Stop-and-wait com ARQ - Automatic Repeat reQuest 
Um método de controle de erros é incorporado ao protocolo Stop-and-Wait. 
• Se um erro é detetado pelo receptor, ele descarta o quadro e envia um NAK (negative ACK) ao 
transmissor forçando-o a retransmitir o quadro. 
• A cada envio de um quadro o transmissor liga um temporizador. 
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• Se após o tempo estabelecido no temporizador o transmissor não receber um ACK ou NAK, esse supõe 
que o quadro de dados foi perdido e retransmite o quadro. 
• Um novo problema é introduzido. No caso em que uma transmissão seja mais demorada e haja uma 
retransmissão de um quadro que foi recebido ou em que um ACK seja perdido, é possível que o 
receptor receba quadros duplicados. 
• Para evitar o recebimento e aceitação de quadros duplicados, quadros e ACKs são marcados 0 e 1 
alternadamente: ACK0 para o quadro 1e ACK1 para o quadro 0. 
 
Figura 34: Stop-and-Wait com ARQ 
6.6.3. Protocolo de Janela Deslizante 
Os Protocolos de janelas deslizantes são usados para a entrega confiável e ordenada de mensagens. 
Trata-se de protocolos orientados a conexão (primeiro garante que a conexão está ativa, para depois 
iniciar o envio das mensagens) que garantem que todas as mensagens enviadas serão entregues aos 
destinatários integralmente e na ordem correta de envio. 
Uma das principais características das janelas deslizantes é que o transmissor mantém um conjunto de 
números de sequência que indicam os quadros, reunidos na janela de transmissão, que este pode 
enviar (janela de transmissão). O receptor também possui um conjunto de números de sequência que 
correspondem aos quadros que espera receber (janela de recepção). 
O protocolo prevê o controle de fluxo dos quadros enviados e recebidos de uma estação para outra. 
Cada quadro enviado contém um número de sequência, que varia de 0 a um valor máximo. O valor 
máximo, geralmente vai até 2n -1, de forma que o número possa caber em um campo de n bits. Da 
mesma forma, o receptor mantém uma janela de recepção correspondente aos dados aptos a serem 
aceitos. 
A Figura a seguir mostra as janelas do transmissor e do receptor com índices de 0 a 7. Os próximos 
quadros reutilizarão os índices a partir de 0. Neste caso, o tamanho máximo da janela é 23-1, que é 4, 
pois são utilizados 3 bits para representar os números de sequência. 
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Figura 35: Estratégia “go back n”. 
 
 
Figura 36: Estratégia "retransmissão seletiva". 
 
6.7. A subcamada de controle de acesso ao Meio 
Em uma rede com diversos hospedeiros conectados, a camada de enlace realiza a função de controlar o acesso 
ao meio, evitando que mais de um hospedeiro transmita em um mesmo momento, acontecendo uma colisão, 
fazendo com que os quadros transmitidos sejam perdidos. 
Os protocolos de acesso ao meio são responsáveis por determinar o momento em que cada equipamento pode 
transmitir em um meio compartilhado. Caso mais de um equipamento transmita simultaneamente, é dito que 
houve uma colisão e ambas as transmissões são perdidas. 
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Os protocolo de acesso ao meio podem ser classificados em determinísticos ou estatísticos. Nos protocolos 
determinísticos, cada equipamento pode transmitir apenas nos momentos determinados (time slots) ou após 
receber uma autorização. Nos protocolos estatísticos os equipamentos podem transmitir a qualquer momento, 
podendo provocar colisões. 
Funcionam, a princípio dessa forma: 
• Uma estação transmite aleatoriamente (sem coordenação, a priori, entre estações) ocupando toda a 
capacidade do canal. 
• Se houver “colisão” entre as transmissões de duas ou mais estações, elas retransmitem depois de 
espera randômica. 
• O protocolo MAC de acesso randômico especifica como detetar colisões e como recuperar-se delas. 
6.7.1. Aloha 
O primeiro protocolo estatístico implementado foi o Aloha, desenvolvido na Universidade do Havai para prover 
a comunicação entre diversas ilhas. 
O suas características são descritas abaixo: 
• Uma estação transmite sem aguardar o início de um slot. 
• Não requer sincronização entre os slots (transmissores). 
• Alta probabilidade de colisão. 
• Baixa eficiência, uma vez que um quadro pode colidir simultaneamente com o quadro anterior e com 
posterior, conforme mostra a Figura 37. Todo o tempo e informações serão perdidos. 
 
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Figura 37: Aloha puro. 
6.7.2. Slotted Aloha 
O Aloha foi aprimorado através da utilização de slots. O Slotted Aloha permite que as estações transmitam 
apenas em determinados momentos, chamados slots. 
A utilização de slots obrigou a sincronização das estações e que as mesmas aguardassem o início do slot para 
fazer a transmissão, mas houve ganho de eficiência, uma vez que um quadro não poderia mais colidir com um 
quadro anterior ou posterior, apenas com um simultâneo. A Figura 38 exibe o seu funcionamento. 
 
Figura 38: Slotted Aloha. 
6.7.3. CSMA - Carrier sense multiple access 
• CSMA: escuta antes de transmitir. Se deteta que o canal está sendo usado, adia transmissão. 
• CSMA persistente: tenta novamente assim que se tornar ocioso o canal (isto pode provocar 
instabilidade) 
• CSMA não persistente: tenta novamente depois de intervalo randômico 
• Note: colisões ainda podem ocorrer, pois duas estações podem detetar o canal ocioso ao mesmo tempo 
(ou, melhor, dentro de uma janela de “vulnerabilidade” = retardo ida e volta entre as duas estações 
envolvidas) 
• No caso de colisão, é desperdiçado todo o tempo de transmissão do pacote 
6.7.4. CSMA/CD - Carrier sense multiple access with collision detection 
• CSMA/CD: escuta do meio e adiamento como em CSMA. Entretanto, colisões detetadas rapidamente, 
em poucos “intervalos de bit”. 
• Transmissão é então abortada, reduzindo consideravelmente o desperdício do canal. 
• Tipicamente, é implementada retransmissão persistente 
• Deteção de colisões é fácil em rede locais usando cabo (p.ex., E-net): pode-se medir a intensidade do 
sinal na linha, detetar violações do código, ou comparar sinais Tx e Rx 
• Deteção de colisões não pode ser realizada em redes locais de rádio (o receptor é desligado durante 
transmissão, para evitar danificá-lo com excesso de potência) 
• CSMA/CD pode conseguir utilização do canal perto de 100% em redes locais (se tiver baixa razão de 
tempo de propagação para tempo de transmissão do pacote) 
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Figura 39: colisões com CSMA. Figura 40: colisões com CSMA/CD. 
Exercícios: 
• Resuma as funções da camada de enlace. 
• Descreva o que você entende por enquandramento. 
• Por que a camada de enlace consegue entender os endereços e a camada física não? 
• Como a introdução do CD (Collision Detection) melhorou a eficiência do CSMA? 
• Como é a regra de formação do endereço físico? 
• Qual é a função do controle de fluxo? 
• Explique como um quadro seja recebido duplicado? 
• Como pode haver uma colisão mesmo com o transmissor verificando se o meio está em uso antes do 
início da transmissão? 
• Por que uma colisão pode provocar a má compreensão de um quadro pelo receptor? 
• Por que um protocolo como o “stop and wait” pode ter um baixo desempenho na transmissão de 
quadros?