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Capítulo 2: Introdução às
Redes de Computadores
Redes para Automação Industrial
Luiz Affonso Guedes
affonso@dca.ufrn.br
2006
Introdução
• Conteúdo
– Definição
– Classificação
– Aplicações típicas
– Software de rede
– Modelos de referências
– Exemplos de redes
– Exemplos de serviços de comunicação de
dados
– Padronização de redes
Introdução
• Definição de Redes de Computadores
– É um conjunto de computadores
autônomos e interconectados.
RedeMeio de comunicação
Host Não é
Rede
Introdução
• Autonomia
– Em rede, nenhum computador obedece a
comandos de outro.
• Possui autonomia até para se desconectar da
rede
• Interconexão: Meio de Comunicação
– Cabo de cobre
• Coaxial
• Par Trançado
– Fibra óptica
– Rotas de microondas
– Radiodifusão
Introdução
• Meio de Comunicação: Características
– Taxa de transmissão
– Tecnologia de transmissão
– Extensão geográfica das redes
– Aspectos econômicos
– Confiabilidade
Meio de comunicação
Introdução
• Classificação das redes de
computadores
– Quanto à velocidade de transmissão
• Baixa, média e alta velocidade
– Quanto à extensão geográfica
• Locais, Metropolitanas e Longa Distância
– Quanto à confiabilidade
• Confiáveis e não confiáveis
– Quanto ao modo de transmissão
• Determinísticas e não determinísticas
Introdução
• Classificação quanto a extensão
geográfica
– Redes Locais: LAN - Local Area Network
• Interconectam computadores localizados num
mesmo prédio (10m a 1Km).
• Utilizam tipicamente um único meio físico.
– Redes de Campus: CAN - Campus Area
Network
• Interconectam computadores localizados em
vários prédios num mesmo Campus (fábrica,
universidade) - até 10Km.
• Tipicamente são um conjunto de LANs ligadas a
um backbone
Introdução
– Redes Metropolitanas: MAN - Metropolitan
Area Network
• Interligam computadores e LANs numa extensão
de 5 a 100Km.
• Tipicamente são constituídas de LANs ligadas a
vários backbones.
– Redes de Longa Distância: WAN - Wide Area
Network
• Interconectam redes em termos nacionais e
continentais - 100 a 5.000Km.
– Holdings nacionais de telecomunicações.
Estruturas de Redes Tipo LAN e
CAN
LAN
CAN
LAN
LAN
backbone
Estrutura de Redes MAN
CAN
LAN
LAN
backbone
CAN
LAN
LAN
backbone
MAN
Backbone de Alta Velocidade
Introdução
• Classificação de Redes Quanto à
Tecnologia de Transmissão
– Broadcast
• Um único canal de comunicação compartilhado
por todos computadores.
– Broadcasting e multicasting
• Tipicamente em LANs
– Ponto-a-ponto
• Tipicamente em MANs e WANs
Introdução
• Uso de Redes de Computadores
– Redes Corporativas (Na empresa)
• compartilhar recursos
• confiabilidade (back-up)
• economia de recursos
• escalabilidade
• modelo Cliente-servidor
Rede
ServidorCliente
1- request 2- reply
Introdução
• Linhas de Transmissão: Canais
• Dispositivos de Chaveamento: IMPs (Interface
Message Processors) ou Routers
Subrede de
comunicação
Host
IMP
Introdução
• Topologias Típicas de Redes
Estrela
Anel
Barramento
Árvore
Genérica
ou Irregular
Introdução
• Topologias de LANs
– Barramento
• Ethernet
– Anel
• Token Ring, FDDI
• Topologias de WANs
– Genérica
Introdução
• Estruturação de Redes em Camadas
– Modelem em blocos (camadas) funcionais
interligados.
– O modelo descreve funcionalidades e
não detalhes de implementação.
– Uma camada n só se comunica com as
camadas adjacentes a ela.
N+1
N
N-1
A camada n oferece serviços para a
camada n-1
Introdução
– Logicamente, a camada n de um host
troca informação somente com a camada
n dos outros host.
Camada 5 Camada 5
Camada 4
Camada 3
Camada 2
Camada 1
Camada 4
Camada 3
Camada 1
Camada 2
Meio Físico
Protocolo da camada 5
Protocolo da camada 4
Protocolo da camada 3
Protocolo da camada 2
Protocolo da camada 1
Host1
Host2
Introdução
• Modelo OSI/ISO de 7 camadas
Meio Físico
Camada Física
Camada de Transporte
Camada de Apresentação
Camada de Aplicação
Camada Enlace
Camada de Rede
Camada de Sessão
Camada Física
Camada Enlace
Camada de Rede
Camada de Transporte
Camada de Sessão
Camada de Apresentação
Camada de Aplicação
7
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
6
Introdução
• Funcionalidades das camadas:
Protocolos
• Camada 1: Física
– Geração de sinais elétricos, ópticos,
magnéticos que serão propagados pelo
meio físico.
– Protocolo:
• Duração e intensidade do sinal.
• Técnica de multiplexação.
• Pinagem, etc.
Introdução
• Camada 2: Enlace
– Usa a camada física para transmitir
quadros de dados (tamanho máximo pré-
estabelecido).
– Quadros são delimitados por seqüência
pré-estabelecidos (preâmbulo) de bits.
– Não possui serviço confiável de entrega
de quadros: duplicação e troca de ordem.
• Controla o fluxo de emissão de quadros.
• Protocolo de acesso ao meio.
• Protocolo de controle de erro.
Introdução
• Camada 3: Rede
– Controla a operação da subrede.
– Roteamento de pacotes da origem ao
destino.
• Dinâmico
• Estático
– Fragmentação e remontagem de pacotes
• Em redes de difusão e LANs não há
roteamento
– Protocolo mais simples.
Introdução
• Camada 4: Camada de Transporte
– A principal função desta camada é receber
dados da camada de sessão.
• Dividir os dados em pacotes
• Garantir se os pacotes chegarão corretamente
ao destino
– Há dois tipos de serviços
• Serviço garantido
• Serviço não-garantido
– Broadcast service
• Comunicação fim-a-fim
Introdução
• Camada 5: Sessão
– Permite que dois pontos estabeleçam uma
sessão entre si.
• Sincronismo e organização.
• Camada 6: Apresentação
– Representação dos dados em forma
canônica.
• Compressão e criptografia
• Camada 7: Aplicação
– Aplicações em rede.
Exemplo de Relação das
Camadas
M M
MMH4 H4
M1H4H3 M1H4H3 M2H3M2H3
M1H4H3H2 T2 M2H3H2 T2 M1H4H3H2 T2 M2H3H2 T2
Modelo de Subrede OSI
• Como funciona a troca de mensagem
– Modelo de cartas de correio.
A
B
R1
R2
R3
Arquitetura TCP/IP
• Histórico
– Projeto Arpanet do departamento de
Defesa dos EUA.
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
Modelo OSI
Aplicação
Transporte
Inter-rede
Host
para
Rede
TCP/IP
Lan, satélite,
rádio, etc
IP
TCP e UDP
Telnet, ftp, smtp, http, ...
Camada Física
• Trata da geração de sinais físicos e sua
propagação através do meio físico de
transmissão.
– Natureza de meio físico: sua constituição
• Material
– Cabo coaxial
– Fibra óptica
– ...
• Impedância:
– Características da atenuação do sinal
• Dimensões
– Extensão
Camada Física
– A forma como os hosts e IMPs são
interconectados ao meio físico .
• Codificação do sinal.
• Procedimento de multiplexação.
• Parâmetros do sinal:
– Freqüência - duração de tempo de um bit
– Nível do sinal - tensões, correntes, ...
– Base teórica para comunicação de dados
• Análise de Fourier.
• Capacidade de transmissão do meio.
• Teorema de Nyquist.
Modos de Transmissão
• Full Duplex e Half Duplex: Depende do Hardware
• Serial e Paralela
• Síncrona e Assíncrona
• Redes mais comum: half duplex e serial
Camada de Enlace
Camada Física
Meio Físico de Transmissão
Volts
100100110 Quadro - bits
Multiplexação e Características
dos Meios de Transmissão
• Multiplexação
– Domínio da Freqüência (FDM)
– Domínio do Tempo (TDM)
• Síncrona ou Assíncrona.
• Características dos Meios de Transmissão
1/T1/T 2/T
Banda
f(Hz)
0dB
-3dB
0dB
-3dB
f(Hz)f1 f2
f(Hz) f(Hz)
S(f) S(f)
ON/OFF Manchester
Capacidade de Transmissão de
um Canal
- Baud: a freqüência com que um sinal se
propaga no meio de transmissão.
- Um canal de 1 Mbaud permite 106
variações do sinal por segundo.
- A relação entre baud e bits depende da
forma de codificação do sinal:
Capacidade de Transmissão de
um Canal
• Código ON/OFF um canal com
capacidade de N bauds pode transmitir
até N bits por segundo.
• Código Manchester um canal com
capacidade de N bauds pode transmitir
até N/2 bits por segundo.
Capacidade de Transmissão de
um Canal
• Como um canal de N bauds de
capacidade máximo pode transmitir mais
que N bps?
–Resp. : MODULAÇÃO
Codificação e Modulação
• Modulação Digital de Sinais
– Variar a amplitude, a freqüência, ou a
fase de um sinal senoidal para representar
determinado nível de um sinal digital.
– Exemplos:
• IEEE 802.3 (CSMA-CD)
– Código Manchester (sem modulação): 0 e -2,05 volts
• IEEE 802.4 (Token-bus)
– modulação FSK
Codificador
1011010
Capacidade de Transmissão de
um Canal
- Via teorema de Nyquist, um canal
livre de ruídos com largura de banda
B transmitindo um sinal com V
diferentes níveis possui uma taxa de
transmissão T (em bps) dada por:
•T ≤ 2 B log2 V
Meios de Transmissão
• Par Trançado:
- Constitui-se de dois fios enrolados de forma
helicoidal.
• Efeito pelicular: devido às componentes
resistivas dos cabos.
• Sinais analógicos e digitais.
• Baixo custo e facilidade de instalação.
• Freqüência máxima de transmissão:
comprimento e espessura do cabo.
- Longas distâncias (Km): 20 Kbps.
- Pequenas distâncias (dezenas de m): 100 Mbps.
Meios de Transmissão
• Cabo Coaxial:
– Constituído de um condutor cilíndrico
isolado envolto por uma malha de cobre
uma capa plástica de proteção.
– Minimizar ruídos por perdar em altas
freqüências.
– Há basicamente dois padrões de cabos
coaxiais: 75Ω e 50Ω.
Meios de Transmissão
– 50Ω são denominados de cabos banda
básica: um freqüência de transmissão, ou
duas se for utilizada modulação FSK.
– 75Ω são denominados de cabos banda
larga: permite a multiplexação por divisão
de freqüência (FDM) de vários canais.
- Aplicações de TV a Cabo.
– A atenuação do sinal no cabo coaxial
depende:
- do comprimento;
- das características elétricas;
- da freqüência do sinal e
- do número de conectores existentes.
Meios de Transmissão
Fibra Ótica:
• Um sistema de transmissão ótico tem três
componentes:
- A fonte de luz
- Luz policromático de comprimento de onda
centrado em 0.8 µm.
- Sinal produzido por LED ou por laser
semicondutor.
- O meio de transmissão (fibra)
– O detetor fotodetectores, transforma sinais ótico em
sinais elétrico, photodiodos (tempo de resposta em torno de
1ηs 1Gbps
Meios de Transmissão
• Princípio de funcionamento
• Tipos de fibras:
- Multimodo: Possui vários modos, devido ao
fenômeno de espalhamento do sinal.
- Monomodo: devido a possuírem diâmetros de
apenas alguns comprimentos de ondas, elas
funcionam como guias de onda.
- Fibras monomodos são mais precisas
que Fibras multimodos.
–Fibras monomodos são mais caras
que Fibras multimodos.
–Comparação entre Fibra e Cabo
Metálico:
• Banda de Transmissão;
- Atenuação utilização de repetidores
- Fibra: 30Km
- Cabo Metálico: 5Km
- Isolamento de ruídos;
- Corrosão química, devido ao ar;
- Peso;
- Robustez;
- Característica de instalação;
- Comunicação unidirecional X bidirecional;
- Sistema de interface dos sinais e
–Benefícios de curto prazo e de longo prazo
Meios de Transmissão
- Transmissão Sem Fio (Wireless)
- Como interligar usuários móveis?
- Resp.: Wireless
– Wireless e Fibra Ótica serão o futuro!!
• Wireless X Fibra Ótica
– Instalação geografia
– Banda de transmissão
Meios de Transmissão
- Transmissão via Rádio
- Seguindo a curvatura da terra
- Utilizando a ionoesfera
- Transmissão em Microondas
- Comunicação por visada direta
- Antenas Parabólicas e
- Repetidores distantes até 50Km.
- Absorção da água em aproximadamente 8GHz
- Largamente utilizada em comunicação de longa
distância: telefonia celular e distribuição de TV.
Meios de Transmissão
• Transmissão Infravermelho e Ondas
Milimétricas
– Comunicação de curta distância: controle
remoto
• Transmissão de Luz
- Sinalização por luz
• Laser: tempo bom e distância curta
(<500m).
Comunicação Local
Assíncrona
- Há apenas dois componentes: DTE e
DCE.
– DTE (Data Terminal Equipament):
equipamento do usuário conectado à rede
computador.
– DCE (Data Circuit-terminating Equipament)
– equipamento que interconecta o DTE
com a rede modem
– O padrão de interface X.21 (ITU), muito
parecido com a RS-232, é o mais utilizado
na interconexão de DTE com DCE em
rede públicas de longa distância.
C - controle
R - recepção
I - indicação
S - sinal
B – byte timing
Ga – retorno comum do DTE
G - terra
R - recepção
T - transporte
DTE
DCE
Comunicação Local
Assíncrona
• Padrão RS-232
– Start bit (zero lógico)
– Stop bit (1 lógico)
Comunicação Local
Assíncrona
• Comunicação Assíncrona Full Duplex
Limitações do Hardware Real
• A amostragem não pode ser
instantânea.
– Devido às distorções no sinal.
• Função da distância e da freqüência.
Comunicação de Longa
Distância
• Portadoras
– Sinais Senoidais
– Menor atenuação do que pulsos retangulares.
• Modulação
– Em amplitude
– Em freqüência
– Em Fase
Modem- MOdulação e
DEModulação
Modem- MOdulação e
DEModulação
A Camada de Enlace de
Dados
Introdução
• Como obter comunicação entre duas
máquinas fisicamente conectadas?
– Via enlace de dados >> Duto de dados
• Canal de Dados:
– Não altera a ordem das mensagens.
• Funcionalidades do Enlace de Dados:
– Fornecer uma interface de serviço bem
definida para a camada de redes.
• Montar e desmontar quadros (frames);
• Regular o fluxo de dados e
• Detecção e correção de erros.
– Os protocolos devem ser eficientes
Estrutura do Modelo
Camada Física Camada Física
Subcamada de
acesso ao meio
Subcamada de
acesso ao meio
Subcamada de
enlace lógico
Subcamada de
enlace lógico
Camada de RedeCamada de Rede
físico
lógico
Tipo de Serviço Típico
• Serviço não-confirmado, não orientado a
conexão
– Fonte envia quadros para o destino sem ter
conhecimento do que se sucede.
– Cada quadro é enviado independentemente
– Há a confirmação da chegada de cada quadro
• Se ocorrer perdas de quadros?
– Canal confiável.
– Tráfego de tempo real
Enquadramento
• Quadro: stream de bits
– Como detectar um erro?
• Utilização de quadros
– Como detectar o início e o fim de um quadro?
– Como quebrar um stream de bits em quadro??
• Utilização de espaços no tempo.
• Mas como garantir que esse tempo irá se manter
constante??
– Outros métodos:
• Contador de caracteres
• Caracteres de fim e início de quadro
• Flags de início e fim
• Violação da codificação da camada física
Enquadramento
• Contador de caracteres
– cabeçalho que especifica o número de caracteres num
quadro.
– Qual a deficiência deste método???
• Caracteres de início e fim de quadro
– Utilização de seqüência de caracteres ASCII DLE STX
para início de quadro e DLE ETX para fim de quadro.
– Qual a deficiência deste método??
• Flags de início e fim
– Cada quadros começa e termina com uma seqüência
especial de bit, denominada de flag.
– Qual a deficiência deste método??
• Violação da codificação da camada física
– Aplicada apenas em rede cuja codificação da camada
física possui redundância.
Controle de Erro
• Como saber se um quadro foi recebido
corretamente??
– Via realimentação.
– Quadro de confirmação: OK ou NOK
– Se o quadro não chegar, o quê fazer?
– Se o quadro de confirmação não chegar, o quê
fazer?
• Utilizar temporizador.
– Caso for necessário, retransmitir o quadro.
Porém, pode haver duplicação de quadros.
• Utilizar um número para cada quadro.
Controle de Erro
• Detecção de Erro
–Paridade
–Checksum
–Verificação por Redundância Cíclica
(CRC)
Filtro de Pacotes por Hadware
Hardware
de
Interface
de rede
Processador
e Memória
Computador
acoplado na rede
LAN
•Evita o Uso desnecessário da CPU
Filtro de Pacotes por Hadware
–Necessidade de sincronismo
entre CPU e NIC.
5
NIC NIC
Camada
de acesso
a rede
Camada
inter-rede
CPU CPU
Formato do Endereço Físico
• Que são Endereços Físicos?
• Qual é a necessidade de endereços físicos?
• Quais são os valores numéricos adotados?
– Resp.: depende da Tecnologia empregada
• Três Categorias :
– Estático – Atribuído pelo fabricante
– Configurável – Manual ou Eletrônica
– Dinâmico – Números Aleatórios
• Vantagens do End. Estático
- End único
• Vantagens do End Dinâmico
- Elimina a coordenação entre fabricantes e usa
cabeçalho menor
• Desvantagens
- Conflito potencial
End. Configuráveis : A Interface de Rede pode se
substituído sem mudança de Endereço
Formato do Endereço Físico
Broadcasting
• Técnica de Difusão
• Utilizada para encontrar hosts na LAN
• Utiliza a Estrutura da LAN, sem hardware
adicional
• Endereço reservado para viabilizar o uso
de Brodcasting
Multicasting
• Broadcasting – Uso desnecessário e
ineficiente da rede
• Como utilizar a capacidade de
Broadcasting sem desperdiçar Uso da
CPU?
- Forma restrita de Broadcasting chamada
Multicasting
Endereçamento Multicasting
• Reserva mais alguns endereços para
serem utilizados.
• Como funciona?
- Se algum aplicativo deseja usar algum
endereço, deve informar a interface de
rede
Identificando o Conteúdo de
Pacotes
• Os quadros usam dois métodos para
identificar o conteúdo dos pacotes:
- Tipo de Quadro explícito – campo
identificador
Cabeçalho e Formato de
Quadro
• Cada tecnologia usa um formato de
quadro
Consiste em duas parte:
- cabeçalho (frame header)
- Área de dados(payload)
Tamanho não é fixo.
Formato de Quadro Padrão
Como saber quando um quadro terminou?
Preâmbulo End.
destino
End.
Origem Tipo Dados CRC
Exemplo de formato de Quadro
• Quadro Ethernet
6 6 2 46-1500 48
Preambulo End. destino End.Origem
Tipo de
Quadro Dados CRC
Subcamada de Acesso ao
Meio
Camada de transporte
Camada de rede
Camada de enlace lógico
Subcamada de acesso ao meio
quadros
pacotes
Camada física
sinais
Subcamada de Acesso ao
Meio
• Classificação das redes locais
– Ponto-a-ponto:
– Broadcast (acesso múltiplo):
• Topologia Estrela
– Mestre-escravos
• Topologia em Anel:
– Passagem de Token
Redes Locais Ponto-a-ponto
Estrela
Anel
• Topologia Física
– Tipicamente em Barramento
• O problema em como controlar o acesso ao meio
de transmissão
Redes Locais Broadcast
Barramento
Subcamada de Acesso ao Meio
• Como determinar em uma rede
broadcast quem deve ter acesso ao
meio físico de transmissão?
–A responsabilidade da política de
acesso ao meio é da subcamada de
acesso ao meio.
–Os protocolos utilizados por esta
subcamada são denominados de MAC
(Medium Access Control).
O Problema de Alocação de Canais
• Como alocar um canal de broadcast entre
vários usuários?
• Característica geral para alocação do meio
– todos usuários devem ter direito ao acesso ao
meio.
• Classificação dos protocolos de alocação de
canais:
–Alocação estática do meio do transmissão
(canal)
–Alocação dinâmica do meio do
transmissão (canal)
O Problema de Alocação de Canais
• Alocação Estática do Canal
– TDMA
• para n usuários, divide-se a banda do canal em
n partes iguais.
• Cada usuário tem um subcanal privado
para transmissão.
• Definiências:
– necessidade de sincronismo (mestre da rede)
– Pode haver ineficiência do uso da rede
• Vantagens:
– Simplicidade e determinismo de acesso.
O Problema de Alocação de Canais
–Redes de computadores tradicionais
apresentam tráfego em rajada,
número de usuários elevado e
variável.
–Rede de automação têm tráfego
síncrono e bastante constante.
Esquemas de Arbitragem do
Meio
• Abordagem Mestre-escravos:
– Topologia física pode ser em barramento,
mas a lógica é em estrela.
Barramento
Mestre Escravo 1 Escravo 2 Escravo 3 EstrelaMestre
Escravo 1
Escravo 2
Escravo 3
Esquemas de Arbitragem do
Meio
• Abordagem por passagem de Token:
– Topologia física pode ser em barramento,
mas a lógica é em anel.
Barramento
Gerente da rede
Anel
Controle de Acesso ao Meio
Descentralizado (Aleatório)
• Alocação Dinâmica do Canal
–Nenhum usuário possui sub-canais
privados.
–Há uma concorrência pelo meio.
Suposições Básicas
1- Modelo de Estações:
• Considera-se N estações
independentes.
• Após transmitir um quadro, a
estação em questão é bloqueada
até que este seja transmitido
corretamente.
Suposições Básicas
2- Suposição de Canal Único:
• Um único canal é disponível para
todas as estações.
• Todos transmitem e recebem por
esse canal.
• Em termos de hardware, todas as
estações são equivalentes. Através
de protocolos de software pode-se
atribuir prioridades para as
estações.
Suposições Básicas
3- Suposição de Colisão:
• Se mais de um quadro forem
transmitidos simultaneamente eles se
sobrepõem e o sinal resultante deve
ser desconsiderado.
Suposições Básicas
4- Aspectos Temporais
4a- Tempo Contínuo
–A transmissão do quadro pode
começar a qualquer momento, pois
não há relógio mestre para controlar
o tempo em intervalos discretos.
4b. Tempo Discreto
–O tempo é dividido em intervalos
discretos (slots).
–Um quadro só ode ser transmitido no
início de um slot.
Suposições Básicas
5- Sobre Portadora
5a. Deteção de Portadora
–Percepção da presença ou não de sinal
no meio.
–Se o canal estiver ocupado nenhuma
outra estação deverá utilizar o canal.
–Antes de transmitir algo qualquer
estação deverá verificar se o canal está
em uso.
5b. Não Detecção de Portadora
–As estações ao transmitem não
verificarem antes se o canal está
ocupado.
–Modelo de satélites.
Protocolos de Acesso ao Meio
Aleatório
ALOHA (Universidade do Hawaii, 1970)
– Broadcasting via rádio
– ALOHA Puro
• Não requer sincronização global de tempo.
–Permite a transmissão sempre quando há
algo a ser transmitido.
–Pode haver colisão.
–Deve haver um mecanismo de
retroalimentação, para avisar ocorrência
ou não de colisões.
Protocolos de Acesso ao Meio
Aleatório
• Algoritmo
–1- transmita o quadro.
–2- Aguarde o reconhecimento da
recepção por T unidades de
tempo; se recebido, fim.
–3- Se não for recebido o
reconhecimento, gere um número
aleatório r entre 0 e R.
–4- Vá para o passo 1 após r
unidades de tempo.
Protocolos de Acesso ao Meio
Aleatório
• Caso haja colisão, o quadro será
propagado com erro, causando o
seu descarte no destino.
–A colisão é detectada na fonte
pelo não recebimento do quadro
reconhecimento.
–O valor de T depende da rede.
• Por que se usar um tempo r
aleatório?
• Quais são as deficiências dessa
técnica?
Protocolos de Acesso ao Meio
Aleatório
• ALOHA Particionado
–Transmissões só se iniciam em
instantes de tempo bem definidos
• Partições de tempo (Slots).
• Necessidade de relógio global.
ALOHA Particionado
• Algoritmo
– 1- Aguarde o beep de início de partição,
fornecido por uma estação mestre.
– 2- Transmita o quadro.
– 3- Aguarde o reconhecimento da recepção
por T unidades de tempo.
– 4- Se receber quadro de reconhecimento,
fim.
– 5- Se não for recebido o reconhecimento,
gere um número aleatório r entre 0 e R.
– 6- Vá para o passo 1 após r unidades de
tempo.
• Protocolos de Acesso Múltiplo com
Detecção de Portadoras (CSMA)
– CSMA - Carrier Sense Multiple Access.
– “Escuta” o meio de transmissão antes de
transmitir algo.
– Só transmite se o meio estiver em
repouso.
– Pode haver colisões.
• De que forma??
• Influência do atraso de propagação.
– Se o meio estiver ocupado, uma estação
que queira transmitir algo deve ficar
“escutar” o meio continuamente?
• CSMA não persistente
• 1- Escute o meio.
• 2- Se o meio estiver em repouso:
– a) transmita o quadro;
– b) aguarde o reconhecimento da recepção por
T unidades de tempo, se recebido fim e vá para
o passo 1.
• 3- Caso contrário (transmissão em curso):
– a) gere um número aleatório r entre 0 e R e
– b) vá para passo 1 após r unidades de tempo.
• CSMA persistente
• CSMA 1-persistente (probabilidade
1 de transmissão)
–Idêntico ao anterior
–Intervalo aleatório r igual a zero.
»Objetiva evitar possíveis esperas
com o meio de transmissão em
repouso.
»Porém, aumenta a possibilidade
de colisões.
• Protocolo CSMA-CD - (Collision Detection)
– Ao detectar a colisão, o emissor suspende
imediatamente a transmissão.
• 1- Escute o meio até ser detectada a condição de
repouso.
• 2- Inicie a transmissão do quadro, escutando o meio
para se certificar que apenas esta transmissão está em
curso. Caso termine a transmissão e não houver
detecção de colisão, fim.
• 3- Reforce a colisão por t0 unidades de tempo, caso
seja detectada uma. Então, aborte a transmissão do
quadro.
• 4- Caso o número de colisões c na transmissão deste
quadro exceder o limite pré-estabelecido, sinalize um
erro à camada superior e termine.
• 5- Após abortar a transmissão, gere um número
aleatório r entre 0 e R.
• 6- Vá para o passo1 após r unidades de tempo.
CSMA-CD
• Vantagens:
– Simplicidade
• Desvantagem:
– O acesso ao meio não é determinístico
– Aplicações de automação industrial
demandam tráfego de tempo real.
CSMA-CR
• Carrier-Sense Multiple-Acess with
Collision Resolution
– Diferentemente do CSMA-CD, aqui quando
houver detecção de colisão, a mensagem de
mais alta prioridade continua sua
transmissão, enquanto as outras se retiram.
– Formato do quadro:
Preâmbulo Id da
Mens.
End.
Origem Tipo Dados CRC
CSMA-CA
• CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Colision
Avoidance) –
– As estações não transmitem e recebem simultaneamente no
mesmo canal.
– Os transmissores não podem detectar colisões.
– Depois de cada transmissão, a rede entra em um modo onde as
estações só podem começar a transmitir em canais a ela pré-
alocados. Ao terminar a transmissão, a estação alocada ao
primeiro intervalo tem o direito de transmitir sem probabilidades
de colisão. Se não transmitir, o direito passa a estação para o
segundo. Se não houver transmissão, a rede entra num estado
onde o CSMA comum é utilizado podendo ocorrer colisões.
Carrier-Sense Multiple-Acess with Collision Resolution
– Soluções para redes sem fio.
Padrões do IEEE
CSMA-CD no Padrão IEEE 802.3
1-persistente.
Formato do Quadro Ethernet ≈ IEEE
802.3
Preâmbulo
Endereço
de destino
Endereço
da fonte Tipo Dados PAD Checksum
7 1 6 6 2 0-1500 40-46
Começo do delimitador
do quadro (1011011011)
10101010 ...
Bytes de
enchimento
Padrões do IEEE
• Codificação Manchester: +0.85 e -
0.85 Volts
• Campo tipo: informa a quantidade de
bytes presente no campo Dados.
• O quadro deverá ter tamanho mínimo
de 64 bytes, do endereço de destino
ao checksum.
Padrões do IEEE
–Qual a necessidade do uso do
PAD?
• Devido à necessidade do quadro
possui ao menos 64 bytes a partir dos
bytes do endereço de destino.
Padrões do IEEE
–Quais são as necessidades de se ter
um tamanho mínimo para o quadro?
• 1- reforçar o checksum, diminuindo a
probabilidade de diferentes arranjos de
bits gerarem o mesmo checksum.
• 2- Quadros muito curtos emitidos nos
extremos do cabo podem entrar em
colisão sem os respectivos emissores
possam detectá-los.
Padrões do IEEE
–Endereço de broadcast: todos os
bits de endereço de destino têm
valor igual a 1.
Conexão entre NIC e a Rede
• Uma tecnologia rede pode ter várias
tecnologias de transmitir o sinal na
rede
–ETHERNET:
• Cabo Grosso: 10base5 - Transceiver
• Cabo Fino: 10base2 - Conector
BCN
• Par Trançado: 10baseT - Conector
RJ-45
Cabo Grosso
Cabo Fino
Par Trançado
Conectores
Cabeamento do Padrão IEEE
802.3
• 10Base5
• cabo coaxial
grosso
• opera a 10Mbps
• segmento
máximo de 500m
• até 100 nós por
segmento
• conector vampiro
• bom para
backbones
• 10Base2
• cabo coaxial fino
• segmento
máximo de 200m
• até 30 nós por
segmento
• conector tipo T
• sistema barato
• problema de
manutenção
Cabeamento do Padrão IEEE
802.3
10BaseT
par traçado
opera a 10Mbps
segmento máximo de 100m
até 1024 nós por segmento
conectados por Hub
fácil manutenção
10BaseF
fibra ótica
segmento máximo de 2000m
até 1024 nós por segmento
ligação entre prédios
Cabeamento do Padrão IEEE
802.3
10BaseF
fibra ótica
segmento máximo de 2000m
até 1024 nós por segmento
ligação entre prédios
• 802.3
• De longe, o mais utilizado.
• Protocolo simples.
• Cabo passivo.
• Atraso muito baixo, quando a carga de
transmissão é baixa.
• Acesso ao meio não determinístico.
• Não há esquema de prioridade.
• Baixa eficiência quando se aumenta o
tráfego de acesso.
• Há limites máximos e mínimos para o
tamanho do quadro.
• Muitos componentes analógicos.

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  • 1. Capítulo 2: Introdução às Redes de Computadores Redes para Automação Industrial Luiz Affonso Guedes affonso@dca.ufrn.br 2006
  • 2. Introdução • Conteúdo – Definição – Classificação – Aplicações típicas – Software de rede – Modelos de referências – Exemplos de redes – Exemplos de serviços de comunicação de dados – Padronização de redes
  • 3. Introdução • Definição de Redes de Computadores – É um conjunto de computadores autônomos e interconectados. RedeMeio de comunicação Host Não é Rede
  • 4. Introdução • Autonomia – Em rede, nenhum computador obedece a comandos de outro. • Possui autonomia até para se desconectar da rede • Interconexão: Meio de Comunicação – Cabo de cobre • Coaxial • Par Trançado – Fibra óptica – Rotas de microondas – Radiodifusão
  • 5. Introdução • Meio de Comunicação: Características – Taxa de transmissão – Tecnologia de transmissão – Extensão geográfica das redes – Aspectos econômicos – Confiabilidade Meio de comunicação
  • 6. Introdução • Classificação das redes de computadores – Quanto à velocidade de transmissão • Baixa, média e alta velocidade – Quanto à extensão geográfica • Locais, Metropolitanas e Longa Distância – Quanto à confiabilidade • Confiáveis e não confiáveis – Quanto ao modo de transmissão • Determinísticas e não determinísticas
  • 7. Introdução • Classificação quanto a extensão geográfica – Redes Locais: LAN - Local Area Network • Interconectam computadores localizados num mesmo prédio (10m a 1Km). • Utilizam tipicamente um único meio físico. – Redes de Campus: CAN - Campus Area Network • Interconectam computadores localizados em vários prédios num mesmo Campus (fábrica, universidade) - até 10Km. • Tipicamente são um conjunto de LANs ligadas a um backbone
  • 8. Introdução – Redes Metropolitanas: MAN - Metropolitan Area Network • Interligam computadores e LANs numa extensão de 5 a 100Km. • Tipicamente são constituídas de LANs ligadas a vários backbones. – Redes de Longa Distância: WAN - Wide Area Network • Interconectam redes em termos nacionais e continentais - 100 a 5.000Km. – Holdings nacionais de telecomunicações.
  • 9. Estruturas de Redes Tipo LAN e CAN LAN CAN LAN LAN backbone
  • 10. Estrutura de Redes MAN CAN LAN LAN backbone CAN LAN LAN backbone MAN Backbone de Alta Velocidade
  • 11. Introdução • Classificação de Redes Quanto à Tecnologia de Transmissão – Broadcast • Um único canal de comunicação compartilhado por todos computadores. – Broadcasting e multicasting • Tipicamente em LANs – Ponto-a-ponto • Tipicamente em MANs e WANs
  • 12. Introdução • Uso de Redes de Computadores – Redes Corporativas (Na empresa) • compartilhar recursos • confiabilidade (back-up) • economia de recursos • escalabilidade • modelo Cliente-servidor Rede ServidorCliente 1- request 2- reply
  • 13. Introdução • Linhas de Transmissão: Canais • Dispositivos de Chaveamento: IMPs (Interface Message Processors) ou Routers Subrede de comunicação Host IMP
  • 14. Introdução • Topologias Típicas de Redes Estrela Anel Barramento Árvore Genérica ou Irregular
  • 15. Introdução • Topologias de LANs – Barramento • Ethernet – Anel • Token Ring, FDDI • Topologias de WANs – Genérica
  • 16. Introdução • Estruturação de Redes em Camadas – Modelem em blocos (camadas) funcionais interligados. – O modelo descreve funcionalidades e não detalhes de implementação. – Uma camada n só se comunica com as camadas adjacentes a ela. N+1 N N-1 A camada n oferece serviços para a camada n-1
  • 17. Introdução – Logicamente, a camada n de um host troca informação somente com a camada n dos outros host. Camada 5 Camada 5 Camada 4 Camada 3 Camada 2 Camada 1 Camada 4 Camada 3 Camada 1 Camada 2 Meio Físico Protocolo da camada 5 Protocolo da camada 4 Protocolo da camada 3 Protocolo da camada 2 Protocolo da camada 1 Host1 Host2
  • 18. Introdução • Modelo OSI/ISO de 7 camadas Meio Físico Camada Física Camada de Transporte Camada de Apresentação Camada de Aplicação Camada Enlace Camada de Rede Camada de Sessão Camada Física Camada Enlace Camada de Rede Camada de Transporte Camada de Sessão Camada de Apresentação Camada de Aplicação 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6
  • 19. Introdução • Funcionalidades das camadas: Protocolos • Camada 1: Física – Geração de sinais elétricos, ópticos, magnéticos que serão propagados pelo meio físico. – Protocolo: • Duração e intensidade do sinal. • Técnica de multiplexação. • Pinagem, etc.
  • 20. Introdução • Camada 2: Enlace – Usa a camada física para transmitir quadros de dados (tamanho máximo pré- estabelecido). – Quadros são delimitados por seqüência pré-estabelecidos (preâmbulo) de bits. – Não possui serviço confiável de entrega de quadros: duplicação e troca de ordem. • Controla o fluxo de emissão de quadros. • Protocolo de acesso ao meio. • Protocolo de controle de erro.
  • 21. Introdução • Camada 3: Rede – Controla a operação da subrede. – Roteamento de pacotes da origem ao destino. • Dinâmico • Estático – Fragmentação e remontagem de pacotes • Em redes de difusão e LANs não há roteamento – Protocolo mais simples.
  • 22. Introdução • Camada 4: Camada de Transporte – A principal função desta camada é receber dados da camada de sessão. • Dividir os dados em pacotes • Garantir se os pacotes chegarão corretamente ao destino – Há dois tipos de serviços • Serviço garantido • Serviço não-garantido – Broadcast service • Comunicação fim-a-fim
  • 23. Introdução • Camada 5: Sessão – Permite que dois pontos estabeleçam uma sessão entre si. • Sincronismo e organização. • Camada 6: Apresentação – Representação dos dados em forma canônica. • Compressão e criptografia • Camada 7: Aplicação – Aplicações em rede.
  • 24. Exemplo de Relação das Camadas M M MMH4 H4 M1H4H3 M1H4H3 M2H3M2H3 M1H4H3H2 T2 M2H3H2 T2 M1H4H3H2 T2 M2H3H2 T2
  • 25. Modelo de Subrede OSI • Como funciona a troca de mensagem – Modelo de cartas de correio. A B R1 R2 R3
  • 26. Arquitetura TCP/IP • Histórico – Projeto Arpanet do departamento de Defesa dos EUA. Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física Modelo OSI Aplicação Transporte Inter-rede Host para Rede TCP/IP Lan, satélite, rádio, etc IP TCP e UDP Telnet, ftp, smtp, http, ...
  • 27. Camada Física • Trata da geração de sinais físicos e sua propagação através do meio físico de transmissão. – Natureza de meio físico: sua constituição • Material – Cabo coaxial – Fibra óptica – ... • Impedância: – Características da atenuação do sinal • Dimensões – Extensão
  • 28. Camada Física – A forma como os hosts e IMPs são interconectados ao meio físico . • Codificação do sinal. • Procedimento de multiplexação. • Parâmetros do sinal: – Freqüência - duração de tempo de um bit – Nível do sinal - tensões, correntes, ... – Base teórica para comunicação de dados • Análise de Fourier. • Capacidade de transmissão do meio. • Teorema de Nyquist.
  • 29. Modos de Transmissão • Full Duplex e Half Duplex: Depende do Hardware • Serial e Paralela • Síncrona e Assíncrona • Redes mais comum: half duplex e serial Camada de Enlace Camada Física Meio Físico de Transmissão Volts 100100110 Quadro - bits
  • 30. Multiplexação e Características dos Meios de Transmissão • Multiplexação – Domínio da Freqüência (FDM) – Domínio do Tempo (TDM) • Síncrona ou Assíncrona. • Características dos Meios de Transmissão 1/T1/T 2/T Banda f(Hz) 0dB -3dB 0dB -3dB f(Hz)f1 f2 f(Hz) f(Hz) S(f) S(f) ON/OFF Manchester
  • 31. Capacidade de Transmissão de um Canal - Baud: a freqüência com que um sinal se propaga no meio de transmissão. - Um canal de 1 Mbaud permite 106 variações do sinal por segundo. - A relação entre baud e bits depende da forma de codificação do sinal:
  • 32. Capacidade de Transmissão de um Canal • Código ON/OFF um canal com capacidade de N bauds pode transmitir até N bits por segundo. • Código Manchester um canal com capacidade de N bauds pode transmitir até N/2 bits por segundo.
  • 33. Capacidade de Transmissão de um Canal • Como um canal de N bauds de capacidade máximo pode transmitir mais que N bps? –Resp. : MODULAÇÃO
  • 34. Codificação e Modulação • Modulação Digital de Sinais – Variar a amplitude, a freqüência, ou a fase de um sinal senoidal para representar determinado nível de um sinal digital. – Exemplos: • IEEE 802.3 (CSMA-CD) – Código Manchester (sem modulação): 0 e -2,05 volts • IEEE 802.4 (Token-bus) – modulação FSK Codificador 1011010
  • 35. Capacidade de Transmissão de um Canal - Via teorema de Nyquist, um canal livre de ruídos com largura de banda B transmitindo um sinal com V diferentes níveis possui uma taxa de transmissão T (em bps) dada por: •T ≤ 2 B log2 V
  • 36. Meios de Transmissão • Par Trançado: - Constitui-se de dois fios enrolados de forma helicoidal. • Efeito pelicular: devido às componentes resistivas dos cabos. • Sinais analógicos e digitais. • Baixo custo e facilidade de instalação. • Freqüência máxima de transmissão: comprimento e espessura do cabo. - Longas distâncias (Km): 20 Kbps. - Pequenas distâncias (dezenas de m): 100 Mbps.
  • 37. Meios de Transmissão • Cabo Coaxial: – Constituído de um condutor cilíndrico isolado envolto por uma malha de cobre uma capa plástica de proteção. – Minimizar ruídos por perdar em altas freqüências. – Há basicamente dois padrões de cabos coaxiais: 75Ω e 50Ω.
  • 38. Meios de Transmissão – 50Ω são denominados de cabos banda básica: um freqüência de transmissão, ou duas se for utilizada modulação FSK. – 75Ω são denominados de cabos banda larga: permite a multiplexação por divisão de freqüência (FDM) de vários canais. - Aplicações de TV a Cabo. – A atenuação do sinal no cabo coaxial depende: - do comprimento; - das características elétricas; - da freqüência do sinal e - do número de conectores existentes.
  • 39. Meios de Transmissão Fibra Ótica: • Um sistema de transmissão ótico tem três componentes: - A fonte de luz - Luz policromático de comprimento de onda centrado em 0.8 µm. - Sinal produzido por LED ou por laser semicondutor. - O meio de transmissão (fibra) – O detetor fotodetectores, transforma sinais ótico em sinais elétrico, photodiodos (tempo de resposta em torno de 1ηs 1Gbps
  • 40. Meios de Transmissão • Princípio de funcionamento • Tipos de fibras: - Multimodo: Possui vários modos, devido ao fenômeno de espalhamento do sinal. - Monomodo: devido a possuírem diâmetros de apenas alguns comprimentos de ondas, elas funcionam como guias de onda. - Fibras monomodos são mais precisas que Fibras multimodos. –Fibras monomodos são mais caras que Fibras multimodos.
  • 41. –Comparação entre Fibra e Cabo Metálico: • Banda de Transmissão; - Atenuação utilização de repetidores - Fibra: 30Km - Cabo Metálico: 5Km - Isolamento de ruídos; - Corrosão química, devido ao ar; - Peso; - Robustez; - Característica de instalação; - Comunicação unidirecional X bidirecional; - Sistema de interface dos sinais e –Benefícios de curto prazo e de longo prazo
  • 42. Meios de Transmissão - Transmissão Sem Fio (Wireless) - Como interligar usuários móveis? - Resp.: Wireless – Wireless e Fibra Ótica serão o futuro!! • Wireless X Fibra Ótica – Instalação geografia – Banda de transmissão
  • 43. Meios de Transmissão - Transmissão via Rádio - Seguindo a curvatura da terra - Utilizando a ionoesfera - Transmissão em Microondas - Comunicação por visada direta - Antenas Parabólicas e - Repetidores distantes até 50Km. - Absorção da água em aproximadamente 8GHz - Largamente utilizada em comunicação de longa distância: telefonia celular e distribuição de TV.
  • 44. Meios de Transmissão • Transmissão Infravermelho e Ondas Milimétricas – Comunicação de curta distância: controle remoto • Transmissão de Luz - Sinalização por luz • Laser: tempo bom e distância curta (<500m).
  • 45. Comunicação Local Assíncrona - Há apenas dois componentes: DTE e DCE. – DTE (Data Terminal Equipament): equipamento do usuário conectado à rede computador. – DCE (Data Circuit-terminating Equipament) – equipamento que interconecta o DTE com a rede modem – O padrão de interface X.21 (ITU), muito parecido com a RS-232, é o mais utilizado na interconexão de DTE com DCE em rede públicas de longa distância.
  • 46. C - controle R - recepção I - indicação S - sinal B – byte timing Ga – retorno comum do DTE G - terra R - recepção T - transporte DTE DCE
  • 47. Comunicação Local Assíncrona • Padrão RS-232 – Start bit (zero lógico) – Stop bit (1 lógico)
  • 49. Limitações do Hardware Real • A amostragem não pode ser instantânea. – Devido às distorções no sinal. • Função da distância e da freqüência.
  • 50. Comunicação de Longa Distância • Portadoras – Sinais Senoidais – Menor atenuação do que pulsos retangulares. • Modulação – Em amplitude – Em freqüência – Em Fase
  • 51.
  • 54. A Camada de Enlace de Dados
  • 55. Introdução • Como obter comunicação entre duas máquinas fisicamente conectadas? – Via enlace de dados >> Duto de dados • Canal de Dados: – Não altera a ordem das mensagens. • Funcionalidades do Enlace de Dados: – Fornecer uma interface de serviço bem definida para a camada de redes. • Montar e desmontar quadros (frames); • Regular o fluxo de dados e • Detecção e correção de erros. – Os protocolos devem ser eficientes
  • 56. Estrutura do Modelo Camada Física Camada Física Subcamada de acesso ao meio Subcamada de acesso ao meio Subcamada de enlace lógico Subcamada de enlace lógico Camada de RedeCamada de Rede físico lógico
  • 57. Tipo de Serviço Típico • Serviço não-confirmado, não orientado a conexão – Fonte envia quadros para o destino sem ter conhecimento do que se sucede. – Cada quadro é enviado independentemente – Há a confirmação da chegada de cada quadro • Se ocorrer perdas de quadros? – Canal confiável. – Tráfego de tempo real
  • 58. Enquadramento • Quadro: stream de bits – Como detectar um erro? • Utilização de quadros – Como detectar o início e o fim de um quadro? – Como quebrar um stream de bits em quadro?? • Utilização de espaços no tempo. • Mas como garantir que esse tempo irá se manter constante?? – Outros métodos: • Contador de caracteres • Caracteres de fim e início de quadro • Flags de início e fim • Violação da codificação da camada física
  • 59. Enquadramento • Contador de caracteres – cabeçalho que especifica o número de caracteres num quadro. – Qual a deficiência deste método??? • Caracteres de início e fim de quadro – Utilização de seqüência de caracteres ASCII DLE STX para início de quadro e DLE ETX para fim de quadro. – Qual a deficiência deste método?? • Flags de início e fim – Cada quadros começa e termina com uma seqüência especial de bit, denominada de flag. – Qual a deficiência deste método?? • Violação da codificação da camada física – Aplicada apenas em rede cuja codificação da camada física possui redundância.
  • 60. Controle de Erro • Como saber se um quadro foi recebido corretamente?? – Via realimentação. – Quadro de confirmação: OK ou NOK – Se o quadro não chegar, o quê fazer? – Se o quadro de confirmação não chegar, o quê fazer? • Utilizar temporizador. – Caso for necessário, retransmitir o quadro. Porém, pode haver duplicação de quadros. • Utilizar um número para cada quadro.
  • 61. Controle de Erro • Detecção de Erro –Paridade –Checksum –Verificação por Redundância Cíclica (CRC)
  • 62. Filtro de Pacotes por Hadware Hardware de Interface de rede Processador e Memória Computador acoplado na rede LAN •Evita o Uso desnecessário da CPU
  • 63. Filtro de Pacotes por Hadware –Necessidade de sincronismo entre CPU e NIC. 5 NIC NIC Camada de acesso a rede Camada inter-rede CPU CPU
  • 64. Formato do Endereço Físico • Que são Endereços Físicos? • Qual é a necessidade de endereços físicos? • Quais são os valores numéricos adotados? – Resp.: depende da Tecnologia empregada • Três Categorias : – Estático – Atribuído pelo fabricante – Configurável – Manual ou Eletrônica – Dinâmico – Números Aleatórios
  • 65. • Vantagens do End. Estático - End único • Vantagens do End Dinâmico - Elimina a coordenação entre fabricantes e usa cabeçalho menor • Desvantagens - Conflito potencial End. Configuráveis : A Interface de Rede pode se substituído sem mudança de Endereço Formato do Endereço Físico
  • 66. Broadcasting • Técnica de Difusão • Utilizada para encontrar hosts na LAN • Utiliza a Estrutura da LAN, sem hardware adicional • Endereço reservado para viabilizar o uso de Brodcasting
  • 67. Multicasting • Broadcasting – Uso desnecessário e ineficiente da rede • Como utilizar a capacidade de Broadcasting sem desperdiçar Uso da CPU? - Forma restrita de Broadcasting chamada Multicasting
  • 68. Endereçamento Multicasting • Reserva mais alguns endereços para serem utilizados. • Como funciona? - Se algum aplicativo deseja usar algum endereço, deve informar a interface de rede
  • 69. Identificando o Conteúdo de Pacotes • Os quadros usam dois métodos para identificar o conteúdo dos pacotes: - Tipo de Quadro explícito – campo identificador
  • 70. Cabeçalho e Formato de Quadro • Cada tecnologia usa um formato de quadro Consiste em duas parte: - cabeçalho (frame header) - Área de dados(payload) Tamanho não é fixo.
  • 71. Formato de Quadro Padrão Como saber quando um quadro terminou? Preâmbulo End. destino End. Origem Tipo Dados CRC
  • 72. Exemplo de formato de Quadro • Quadro Ethernet 6 6 2 46-1500 48 Preambulo End. destino End.Origem Tipo de Quadro Dados CRC
  • 73. Subcamada de Acesso ao Meio Camada de transporte Camada de rede Camada de enlace lógico Subcamada de acesso ao meio quadros pacotes Camada física sinais
  • 74. Subcamada de Acesso ao Meio • Classificação das redes locais – Ponto-a-ponto: – Broadcast (acesso múltiplo):
  • 75. • Topologia Estrela – Mestre-escravos • Topologia em Anel: – Passagem de Token Redes Locais Ponto-a-ponto Estrela Anel
  • 76. • Topologia Física – Tipicamente em Barramento • O problema em como controlar o acesso ao meio de transmissão Redes Locais Broadcast Barramento
  • 77. Subcamada de Acesso ao Meio • Como determinar em uma rede broadcast quem deve ter acesso ao meio físico de transmissão? –A responsabilidade da política de acesso ao meio é da subcamada de acesso ao meio. –Os protocolos utilizados por esta subcamada são denominados de MAC (Medium Access Control).
  • 78. O Problema de Alocação de Canais • Como alocar um canal de broadcast entre vários usuários? • Característica geral para alocação do meio – todos usuários devem ter direito ao acesso ao meio. • Classificação dos protocolos de alocação de canais: –Alocação estática do meio do transmissão (canal) –Alocação dinâmica do meio do transmissão (canal)
  • 79. O Problema de Alocação de Canais • Alocação Estática do Canal – TDMA • para n usuários, divide-se a banda do canal em n partes iguais. • Cada usuário tem um subcanal privado para transmissão. • Definiências: – necessidade de sincronismo (mestre da rede) – Pode haver ineficiência do uso da rede • Vantagens: – Simplicidade e determinismo de acesso.
  • 80. O Problema de Alocação de Canais –Redes de computadores tradicionais apresentam tráfego em rajada, número de usuários elevado e variável. –Rede de automação têm tráfego síncrono e bastante constante.
  • 81. Esquemas de Arbitragem do Meio • Abordagem Mestre-escravos: – Topologia física pode ser em barramento, mas a lógica é em estrela. Barramento Mestre Escravo 1 Escravo 2 Escravo 3 EstrelaMestre Escravo 1 Escravo 2 Escravo 3
  • 82. Esquemas de Arbitragem do Meio • Abordagem por passagem de Token: – Topologia física pode ser em barramento, mas a lógica é em anel. Barramento Gerente da rede Anel
  • 83. Controle de Acesso ao Meio Descentralizado (Aleatório) • Alocação Dinâmica do Canal –Nenhum usuário possui sub-canais privados. –Há uma concorrência pelo meio.
  • 84. Suposições Básicas 1- Modelo de Estações: • Considera-se N estações independentes. • Após transmitir um quadro, a estação em questão é bloqueada até que este seja transmitido corretamente.
  • 85. Suposições Básicas 2- Suposição de Canal Único: • Um único canal é disponível para todas as estações. • Todos transmitem e recebem por esse canal. • Em termos de hardware, todas as estações são equivalentes. Através de protocolos de software pode-se atribuir prioridades para as estações.
  • 86. Suposições Básicas 3- Suposição de Colisão: • Se mais de um quadro forem transmitidos simultaneamente eles se sobrepõem e o sinal resultante deve ser desconsiderado.
  • 87. Suposições Básicas 4- Aspectos Temporais 4a- Tempo Contínuo –A transmissão do quadro pode começar a qualquer momento, pois não há relógio mestre para controlar o tempo em intervalos discretos. 4b. Tempo Discreto –O tempo é dividido em intervalos discretos (slots). –Um quadro só ode ser transmitido no início de um slot.
  • 88. Suposições Básicas 5- Sobre Portadora 5a. Deteção de Portadora –Percepção da presença ou não de sinal no meio. –Se o canal estiver ocupado nenhuma outra estação deverá utilizar o canal. –Antes de transmitir algo qualquer estação deverá verificar se o canal está em uso. 5b. Não Detecção de Portadora –As estações ao transmitem não verificarem antes se o canal está ocupado. –Modelo de satélites.
  • 89. Protocolos de Acesso ao Meio Aleatório ALOHA (Universidade do Hawaii, 1970) – Broadcasting via rádio – ALOHA Puro • Não requer sincronização global de tempo. –Permite a transmissão sempre quando há algo a ser transmitido. –Pode haver colisão. –Deve haver um mecanismo de retroalimentação, para avisar ocorrência ou não de colisões.
  • 90. Protocolos de Acesso ao Meio Aleatório • Algoritmo –1- transmita o quadro. –2- Aguarde o reconhecimento da recepção por T unidades de tempo; se recebido, fim. –3- Se não for recebido o reconhecimento, gere um número aleatório r entre 0 e R. –4- Vá para o passo 1 após r unidades de tempo.
  • 91. Protocolos de Acesso ao Meio Aleatório • Caso haja colisão, o quadro será propagado com erro, causando o seu descarte no destino. –A colisão é detectada na fonte pelo não recebimento do quadro reconhecimento. –O valor de T depende da rede. • Por que se usar um tempo r aleatório? • Quais são as deficiências dessa técnica?
  • 92. Protocolos de Acesso ao Meio Aleatório • ALOHA Particionado –Transmissões só se iniciam em instantes de tempo bem definidos • Partições de tempo (Slots). • Necessidade de relógio global.
  • 93. ALOHA Particionado • Algoritmo – 1- Aguarde o beep de início de partição, fornecido por uma estação mestre. – 2- Transmita o quadro. – 3- Aguarde o reconhecimento da recepção por T unidades de tempo. – 4- Se receber quadro de reconhecimento, fim. – 5- Se não for recebido o reconhecimento, gere um número aleatório r entre 0 e R. – 6- Vá para o passo 1 após r unidades de tempo.
  • 94. • Protocolos de Acesso Múltiplo com Detecção de Portadoras (CSMA) – CSMA - Carrier Sense Multiple Access. – “Escuta” o meio de transmissão antes de transmitir algo. – Só transmite se o meio estiver em repouso. – Pode haver colisões. • De que forma?? • Influência do atraso de propagação. – Se o meio estiver ocupado, uma estação que queira transmitir algo deve ficar “escutar” o meio continuamente?
  • 95. • CSMA não persistente • 1- Escute o meio. • 2- Se o meio estiver em repouso: – a) transmita o quadro; – b) aguarde o reconhecimento da recepção por T unidades de tempo, se recebido fim e vá para o passo 1. • 3- Caso contrário (transmissão em curso): – a) gere um número aleatório r entre 0 e R e – b) vá para passo 1 após r unidades de tempo.
  • 96. • CSMA persistente • CSMA 1-persistente (probabilidade 1 de transmissão) –Idêntico ao anterior –Intervalo aleatório r igual a zero. »Objetiva evitar possíveis esperas com o meio de transmissão em repouso. »Porém, aumenta a possibilidade de colisões.
  • 97. • Protocolo CSMA-CD - (Collision Detection) – Ao detectar a colisão, o emissor suspende imediatamente a transmissão. • 1- Escute o meio até ser detectada a condição de repouso. • 2- Inicie a transmissão do quadro, escutando o meio para se certificar que apenas esta transmissão está em curso. Caso termine a transmissão e não houver detecção de colisão, fim. • 3- Reforce a colisão por t0 unidades de tempo, caso seja detectada uma. Então, aborte a transmissão do quadro. • 4- Caso o número de colisões c na transmissão deste quadro exceder o limite pré-estabelecido, sinalize um erro à camada superior e termine. • 5- Após abortar a transmissão, gere um número aleatório r entre 0 e R. • 6- Vá para o passo1 após r unidades de tempo.
  • 98. CSMA-CD • Vantagens: – Simplicidade • Desvantagem: – O acesso ao meio não é determinístico – Aplicações de automação industrial demandam tráfego de tempo real.
  • 99. CSMA-CR • Carrier-Sense Multiple-Acess with Collision Resolution – Diferentemente do CSMA-CD, aqui quando houver detecção de colisão, a mensagem de mais alta prioridade continua sua transmissão, enquanto as outras se retiram. – Formato do quadro: Preâmbulo Id da Mens. End. Origem Tipo Dados CRC
  • 100. CSMA-CA • CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Colision Avoidance) – – As estações não transmitem e recebem simultaneamente no mesmo canal. – Os transmissores não podem detectar colisões. – Depois de cada transmissão, a rede entra em um modo onde as estações só podem começar a transmitir em canais a ela pré- alocados. Ao terminar a transmissão, a estação alocada ao primeiro intervalo tem o direito de transmitir sem probabilidades de colisão. Se não transmitir, o direito passa a estação para o segundo. Se não houver transmissão, a rede entra num estado onde o CSMA comum é utilizado podendo ocorrer colisões. Carrier-Sense Multiple-Acess with Collision Resolution – Soluções para redes sem fio.
  • 101. Padrões do IEEE CSMA-CD no Padrão IEEE 802.3 1-persistente. Formato do Quadro Ethernet ≈ IEEE 802.3 Preâmbulo Endereço de destino Endereço da fonte Tipo Dados PAD Checksum 7 1 6 6 2 0-1500 40-46 Começo do delimitador do quadro (1011011011) 10101010 ... Bytes de enchimento
  • 102. Padrões do IEEE • Codificação Manchester: +0.85 e - 0.85 Volts • Campo tipo: informa a quantidade de bytes presente no campo Dados. • O quadro deverá ter tamanho mínimo de 64 bytes, do endereço de destino ao checksum.
  • 103. Padrões do IEEE –Qual a necessidade do uso do PAD? • Devido à necessidade do quadro possui ao menos 64 bytes a partir dos bytes do endereço de destino.
  • 104. Padrões do IEEE –Quais são as necessidades de se ter um tamanho mínimo para o quadro? • 1- reforçar o checksum, diminuindo a probabilidade de diferentes arranjos de bits gerarem o mesmo checksum. • 2- Quadros muito curtos emitidos nos extremos do cabo podem entrar em colisão sem os respectivos emissores possam detectá-los.
  • 105. Padrões do IEEE –Endereço de broadcast: todos os bits de endereço de destino têm valor igual a 1.
  • 106. Conexão entre NIC e a Rede • Uma tecnologia rede pode ter várias tecnologias de transmitir o sinal na rede –ETHERNET: • Cabo Grosso: 10base5 - Transceiver • Cabo Fino: 10base2 - Conector BCN • Par Trançado: 10baseT - Conector RJ-45
  • 110.
  • 112. Cabeamento do Padrão IEEE 802.3 • 10Base5 • cabo coaxial grosso • opera a 10Mbps • segmento máximo de 500m • até 100 nós por segmento • conector vampiro • bom para backbones • 10Base2 • cabo coaxial fino • segmento máximo de 200m • até 30 nós por segmento • conector tipo T • sistema barato • problema de manutenção
  • 113. Cabeamento do Padrão IEEE 802.3 10BaseT par traçado opera a 10Mbps segmento máximo de 100m até 1024 nós por segmento conectados por Hub fácil manutenção 10BaseF fibra ótica segmento máximo de 2000m até 1024 nós por segmento ligação entre prédios
  • 114. Cabeamento do Padrão IEEE 802.3 10BaseF fibra ótica segmento máximo de 2000m até 1024 nós por segmento ligação entre prédios
  • 115. • 802.3 • De longe, o mais utilizado. • Protocolo simples. • Cabo passivo. • Atraso muito baixo, quando a carga de transmissão é baixa. • Acesso ao meio não determinístico. • Não há esquema de prioridade. • Baixa eficiência quando se aumenta o tráfego de acesso. • Há limites máximos e mínimos para o tamanho do quadro. • Muitos componentes analógicos.