04ARQUITETURA DE REDES

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09/04/2019 Disciplina Portal
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Arquitetura de Redes
(Infraestrutura de Redes)
Aula 4 - Protocolos de acesso aleatório
INTRODUÇÃO
Nesta aula, estudaremos a classe de protocolos de acesso aleatório. Observaremos que esses protocolos possuem as
características (1), (3) e (4) de um protocolo de acesso múltiplo ideal, mas prescindem da característica de número (2).
OBJETIVOS
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Analisar os Protocolos Aloha e S-Aloha;
Reconhecer os Protocolos CSMA e CSMA/CD;
Identi�car os Protocolos CSMA/CA.
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PROTOCOLOS DE ACESSO ALEATÓRIO E A CARACTERÍSTICA (2)
Iniciaremos esta aula re�etindo sobre a seguinte questão: Qual é a importância da característica 2 de um protocolo de
acesso múltiplo ideal? Com base no que estudamos na aula passada, responda a seguir.
Resposta Correta
Fonte: Oxy_gen / Shutterstock
Por que os protocolos de acesso aleatório não possuem a característica (2), sendo ela tão
importante? Vejamos.
A base da classe de protocolos de acesso aleatório é: não há qualquer tipo de particionamento pré-de�nido do canal
ou revezamento pré-de�nido. Um emissor deve, pois, tomar sozinho sua decisão de transmitir ou não bits sobre o meio
compartilhado assim que tiver dados para transmitir.
Se dois transmissores decidem transmitir simultaneamente, então haverá colisão. Colisões geram desperdício de
tempo, e parte da capacidade do canal é desperdiçada transmitindo uma mistura de sinal que ninguém compreende.
Com isso, quando somarmos os dados úteis transmitidos por cada transmissor, não chegaremos a 100% da
capacidade do canal (lembre-se, houve desperdício com colisões).
Com a explicação acima, você deve ter compreendido a razão pela qual tais protocolos não possuem a característica
(2) de um protocolo de acesso múltiplo ideal.
Os protocolos propostos ao longo do tempo (apresentaremos sua ordem cronológica) foram evoluindo no sentido de
se aproximar da característica número (2) de um protocolo de acesso múltiplo ideal, muito embora ela nunca tenha
sido alcançada de fato por protocolos de acesso ao meio.
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Na verdade, os projetistas de protocolos de acesso aleatório estavam tão preocupados em aproximar as soluções
propostas da característica (2), que criaram uma métrica para medir o quanto um protocolo se aproxima dela: a
e�ciência. (glossário)
ALOHA
O primeiro protocolo de acesso aleatório proposto foi o Aloha. Sua explicação é simples: quando um transmissor
deseja transmitir um pacote, ele simplesmente transmite. Caso ocorra colisão durante a transmissão, o transmissor
sorteia um tempo aleatório e tenta novamente depois.
No exemplo a seguir, 4 transmissores (A, B, C, D) compartilham um canal de difusão. O tempo está correndo da
esquerda para a direita. A área marcada em vermelho representa o tempo desperdiçado por colisões (transmissões
que se sobrepõem). Devido ao alto índice de colisões, a e�ciência do Aloha é de 18%, ou seja, em uma rede de 100
Mbps, a soma das taxas de transmissões, no melhor caso, alcançará 18 Mbps.
Por outro lado, em cenários de baixa demanda, o Aloha puro se sai muito bem. Suponha que apenas um transmissor
tenha dados para enviar durante um intervalo de tempo considerável.
Nesse período, como apenas um emissor está transmitindo, não haverá colisões, e ele conseguirá transmitir dados à
taxa nominal do canal sozinho (nesse caso, não há compartilhamento).
SLOTTED-ALOHA
O slotted-Aloha é uma variação do protocolo Aloha. Nele, o tempo é dividido em compartimentos, e qualquer
transmissor, quando desejar transmitir um quadro de dados, deve, necessariamente, aguardar o início do próximo
compartimento (slot) de tempo.
Na �gura a seguir, que apresenta o mesmo cenário usado como exemplo para o protocolo Aloha, o usuário C inicia sua
transmissão no início do 2º slot de tempo.
Na �gura anterior, A e C desejaram transmitir, mas foram obrigados pela política do Slotted-Aloha a adiar sua
transmissão até o início do próximo slot de tempo. Com isso, o primeiro quadro de C foi transmitido com sucesso, e a
colisão afetou um intervalo de tempo menor do que o desperdiçado pelo protocolo Aloha. Como conseguiu evitar
certas ocorrências de colisões que ocorreriam no Aloha, o Slotted-Aloha melhora a e�ciência de 18% do Aloha para
37%.
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ATIVIDADE
Vamos testar o que você aprendeu até aqui?
Cite 3 diferenças do Slotted-Aloha quando comparado ao Aloha puro.
Resposta Correta
PROTOCOLOS CSMA E CSMA/CD
Uma característica marcante do Slotted-Aloha e do Aloha puro é que os transmissores não se preocupam em checar se
há atividade no canal para só então decidir se devem ou não iniciar sua transmissão.
Essa atitude poderia evitar uma série de colisões, o que aumentaria a e�ciência.
Atenção
, Lembre-se: quanto maior a e�ciência, mais próximo se estará da característica (2) de um protocolo
de acesso múltiplo ideal.
O protocolo de acesso múltiplo por detecção de portadora (glossário) busca exatamente isso. Antes de iniciar uma
transmissão, um transmissor CSMA detecta a portadora, ou seja, escuta o canal de transmissão para checar se há
algum outro transmissor usando o canal. Caso ele esteja ocupado, o transmissor esperará até que não detecte
transmissão por um período curto de tempo, para só então iniciar sua transmissão.
Por detectar a portadora antes de iniciar a transmissão de um quadro, o protocolo CSMA evita parte das colisões que
ocorrem quando o Aloha ou o Slotted-Aloha são usados. Entretanto, colisões ainda podem ocorrer.
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Fonte: Oxy_gen / Shutterstock
Se um transmissor veri�ca se o canal já está ocupado antes de iniciar a transmissão, porque ainda
assim podem ocorrer colisões?
Como mostrará a imagem a seguir, leva um tempo, denominado tempo de propagação, entre o momento em que o nó
A inicia uma transmissão e o momento em que o nó B percebe que há uma transmissão no canal.
Durante o tempo de propagação, caso B escute o canal para checar se há alguém transmitindo, ele achará que o canal
está desocupado, e poderá iniciar uma transmissão. Isso gerará uma colisão, desperdiçando todo o tempo que os dois
quadros usaram para transmissão, conforme observamos a seguir:
Após terminar a tentativa, falha, de transmitir seus quadros, os transmissores sortearão um tempo aleatório para tentar
novamente.
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Sabemos que, mesmo usando o CSMA, pode ser que ocorram colisões. Para piorar a situação, você deve ter notado, na
imagem anterior, que, segundo o protocolo CSMA, ambos os nós continuam transmitindo seus quadros até o �nal
mesmo quando ocorre colisão. Isso faz com que os transmissores participantes da colisão ocupem o canal por um
tempo desnecessário.
Uma variação do protocolo CSMA, chamada CSMA/CD (Colision Detection), ou acesso múltiplo com detecção de
portadora e detecção de colisão, traz a ideia de detectar que ocorreu uma colisão enquanto se transmite um quadro.
Os transmissores que detectam a colisão podem, então, abortar suas transmissõespara diminuir o tempo em que o
canal �cou ocupado com a colisão, conforme mostrado na imagem a seguir.
Em resumo, um transmissor que usa o protocolo CSMA/CD segue o seguinte passo a passo:
Passo 1
O adaptador obtém um datagrama da camada de rede e prepara um quadro da camada de
enlace. O quadro é armazenado num buffer da interface de rede;
Passo 2
O adaptador de rede detecta se o canal está ocioso. Em caso positivo, inicia-se a
transmissão do quadro;
Passo 3
Enquanto transmite o quadro, o adaptador monitora a presença de energia de sinal vinda de
outras interfaces de rede, ou seja, uma colisão;
Passo 4
Caso consiga seguir até o �nal da transmissão do quadro atual sem detectar colisão, a
interface de rede considerará que terminou de transmitir o quadro com sucesso. Por outro
lado, se a interface de rede detectar uma colisão, a transmissão será abortada;
Passo 5
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Depois de abortar uma transmissão, o adaptador espera um tempo aleatório e depois
retorna ao passo 2 para realizar uma nova tentativa.
O algoritmo que governa a espera aleatória do passo 5 é denominado algoritmo backoff exponencial, ou algoritmo de
recuo exponencial. Ao tentar transmitir um quadro que já tenha experimentado n colisões, uma interface de rede
sorteia um valor, digamos, k, no intervalo {0,1,2,...2 -1}. Ou seja, quanto mais colisões um quadro experimentar antes de
ser transmitido com sucesso, maior será o intervalo do qual k será escolhido.
Para o protocolo Ethernet usado em Redes Locais (LANs), e que se serve do CSMA/CD como protocolo de acesso ao
meio, a quantidade de tempo real que um nó aguarda (recua) é de k multiplicado por 512 tempos de bit, ou seja, k
multiplicado pelo tempo necessário para transmitir 512 bits. O valor máximo que n pode tomar no Ethernet é 10.
A E�ciência alcançada pelo protocolo CSMA/CD pode ser calculada como:
Claramente, quanto menor for a distância entre os pontos mais distantes da LAN, maior será a e�ciência do CSMA/CD.
Não é à toa que a distância máxima especi�cada nos padrões para redes Ethernet é de 100 metros.
A E�ciência deve permanecer su�cientemente alta! Além disso, quanto maior for a taxa de transmissão do canal,
menor será a e�ciência calculada. Essa é uma das razões da di�culdade de se conseguir redes locais com taxas muito
acima de 1 Gbps. A e�ciência seria prejudicada, conforme mostrado na tabela:
PROTOCOLOS CSMA/CA
n
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Fonte da Imagem: Prixel Creative / Shutterstock
O último protocolo a ser abordado na aula de hoje é o CSMA/CA. (glossário) Ele é usado, por exemplo, em redes locais
sem �o (Wi-�, 802.11).
O protocolo CSMA/CA (redes Wi-�) tem duas diferenças fundamentais quando comparado ao CSMA/CD (Ethernet):
Em vez de usar a detecção de colisão do CSMA/CD, usa uma técnica de prevenção. É importante destacar que a
prevenção de colisão funcionará apenas sobre o quadro de dados, mas não sobre os quadros de controle usados pelo
CSMA/CA. Então, colisões ainda podem ocorrer;
Diferentemente do padrão Ethernet que roda sobre redes cabeadas, em que a taxa de erros é muito baixa, o Wi-� roda
sobre meio sem �o, em que a taxa de erros de bits é muito mais alta. Com isso, o CSMA/CA inclui um esquema de
con�rmações/retransmissões de camada de enlace.
Vamos, agora, olhar exclusivamente para essas duas técnicas:
galeria/aula4/img/img07b.jpg
Quando um emissor deseja iniciar uma transmissão, ele escuta o canal por um tempo denominado
DIFS (Distributed Inter-Frame Space). Se, após esse tempo, o canal continuar livre, o emissor deve
emitir um quadro de controle (RTS – Request to Send) que solicita permissão para emitir quadro de
dados.
galeria/aula4/img/img07c.jpg
O ponto de acesso, após receber um RTS, aguarda por um tempo denominado SIFS (Shot Inter-Frame
Spacing), ou espaçamento curto interquadros. Após esse intervalo de tempo, o ponto de acesso emite
um pacote de controle chamado CTS (Clear to Send), ou autorizado a enviar.
galeria/aula4/img/img07d.jpg
Ao receber um pacote CTS vindo do ponto de acesso, todos os outros nós adiam suas tentativas de
enviar pacotes (caso desejem enviar) até que eles recebam a con�rmação (ACK) vindo da estação
base, informando que ela já recebeu o quadro de dados que esperava. O CTS vindo da estação base
informa explicitamente quem é o nó que tem permissão para transmitir, bem como o tempo de espera
que os outros nós da rede devem aguardar.
galeria/aula4/img/img07e.jpg
O transmissor somente tem permissão de emitir quadro de dados depois de receber um CTS para um
RTS que ele enviou. Após o envio, o emissor aguarda por um ACK vindo do ponto de acesso,
informando que o quadro de dados foi recebido com sucesso. Caso não receba um ACK, o
transmissor precisará retransmitir o quadro.
Atenção
, Reforçamos o que dissemos no início desta seção: apenas os quadros de dados são protegidos de
colisões pelo CSMA/CA. Os quadros de solicitação de transmissão, chamados RTS, podem sofrer
colisão com outras solicitações de envio sendo enviadas por outros potenciais transmissores., ,
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Felizmente, o tempo desperdiçado com a colisão de um pacote RTS (pacote de controle muito
pequeno) é muito menor do que o tempo desperdiçado com um quadro de dados, que é, também,
muito maior do que um quadro RTS.
ATIVIDADE
Agora, vamos �nalizar esta aula com uma atividade.
Qual é a grande evolução trazida pelo CSMA/CD em comparação com o CSMA puro:
Resposta Correta
Glossário
EFICIÊNCIA
A e�ciência é de�nida como a razão entre a vazão alcançada pela soma dos transmissores e a
capacidade teórica da rede. Por exemplo, se um protocolo de acesso aleatório consegue fazer com
que a soma da taxa de transmissão de vários transmissores simultâneos alcance o valor de 36 Mbps
em um enlace com capacidade teórica de 100 Mbps, então, a e�ciência será de 0.36, ou seja, 36%.
Uma e�ciência de 100% equivale a dizer que o protocolo possui a característica (2) de um protocolo
de acesso múltiplo ideal.
PROTOCOLO DE ACESSO MÚLTIPLO POR DETECÇÃO DE PORTADORA
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CSMA - Carrier Cense Multiple Access.
CSMA/CA
O CA signi�ca Collision Avoidance (Prevenção de Colisão).