Redes de Enlaces Diretos

(1)

Redes de Computadores 1

Redes de Enlaces Diretos

Sumário

Codificação

Estruturação em quadros

Detecção de Erros

Algoritmos de Janelas Deslizantes

Encoding

• Signals propagate over a physical medium

– Modulate electromagnetic waves

– E.g., vary voltage

– Encode, transmit signal, decode

– Network adaptor: contains signaling componentes that:

– Encode the bits into signals at sending node – Decode the signals into bits at the receiving node

Codificação

• Sinais viajam entre componentes de

sinalização

• Bits fluem entre adaptadores

Bits Signal

Adaptor Adaptor Node B

Node A

Encoding: NRZ

• Encode binary data onto signals

– e.g., 0 as low signal and 1 as high signal – known as Non-Return to Zero (NRZ)

Bits NRZ

0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0

Problem: Consecutive 1s or 0s

• NRZ: receivers keep averages of the signals

received to distinguish 0s and 1s

• After a long sequence of 0s or 1s the average

moves up or down:

– It becomes difficult to detect a significant change in the signal

Problem: Consecutive 1s or 0s

• NRZ: Clock recovering

• Frequent transitions from low to high and

vice-versa are necessary to enable clock

recovery

• Both the encoding and decoding processes

are driven by a clock:

– Every clock cycle the sender transmits a bit and the receiver recovers a bit

(2)

Encoding: NRZI

• Non-return to Zero Inverted (NRZI)

• make a transition from current signal to

encode a one;

• stay at current signal to encode a zero.

• solves the problem of consecutive ones

Encoding: Manchester

• Manchester

– transmit XOR of the NRZ encoded data and the clock

– The frequency of the signal is twice the binary code – Alternatively:

• O: transition from low to high • 1: transiton from high to low

– Rate at which the signals change: baud rate – Rate at wich the bits change: bit rate – Manchester is only 50% efficient.

Encodings (cont)

Bits NRZ Clock Manchester NRZI 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 Redes de Computadores 10

Encoding: 4B/5B

• 4B/5B

– every 4 bits of data encoded in a 5-bit code – 5-bit codes selected to have no more than one

leading 0 and no more than two trailing 0s – thus, never get more than three consecutive 0s – resulting 5-bit codes are transmitted using NRZI

• solves the problem of consective ones

– achieves 80% efficiency

Encoding: 4B/5B

4 bits 5bits 0000 11110 0001 01001 0010 10100 0011 10101 0100 01010 0101 01011 0110 01110 0111 01111 4 bits 5 bits 1000 10010 1001 10011 1010 10110 1011 10111 1100 11010 1101 11011 1110 11100 1111 11101

Framing

• Problema a ser resolvido:

– Como agrupar seqüências de bits em quadros para que possam ser processados como unidades de informação?

ou, de outra forma,

– Como fazer delimitação de quadros?

(3)

Framing: Soluções

• Inserir intervalos de tempo entre

transmissões de quadro

– Em comunicação assíncrona não é viável

• Fazer contagem de caracteres

Framing

• Break sequence of bits into a frame

• Typically implemented by network adaptor

Frames Bits

Adaptor Adaptor Node B

Node A

Approaches

• Sentinel-based

– delineate frame with special pattern: 01111110 – e.g., HDLC, SDLC, PPP

– problem: special pattern appears in the payload – solution: bit stuffing

• sender: insert 0 after five consecutive 1s • receiver: delete 0 that follows five consecutive 1s

Header Body

8 16 16 8

CRC Beginning

sequence Endingsequence

Flags de

início e fim de quadro

• Bits são transmitidos de forma transparente:

– TX ao encontrar cinco bits 1 consecutivos insere

um bit 0

– RX ao receber cinco bits 1 seguido de um bit 0 remove o bit 0

• Processo conhecido como bit stuffing

Approaches (cont)

• Counter-based

– include payload length in header – e.g., DDCMP

– problem: count field corrupted – solution: catch when CRC fails

SYN Header Body

8 8 8 14 42 16 SYN Clas s CRC Count

Contagem de caracteres

• Princípio:

– Usa um campo no cabeçalho para especificar o número de caracteres no quadro

• Problema: erro nesse campo faz com que o

receptor perca a sincronização

• Não é usado na prática para protocolos da

camada de enlace

(4)

Contagem de caracteres

Caracteres de

início e fim de quadro

• Quadro é delimitado por caracteres

especiais: DLE STX e DLE ETX

• Um DLE no meio de um quadro é prefixado

por outro DLE (character stuffing) para

distinguir do fim de quadro

• Método usado em protocolos orientados a

caracteres

Caracteres de

início e fim de quadro

Approaches (cont)

• Clock-based

– each frame is 125us long

– e.g., SONET: Synchronous Optical Network – STS-n (STS-1 = 51.84 Mbps) Overhead Payload 90 columns 9 rows STS-1 Hd r STS-1 Hd r STS-1 Hd r STS-3c Hdr

Detecção de Erros de Transmissão

• A natureza dos erros

• Eficiência dos canais de transmissão

• Códigos detectores de erros

– Paridade horizontal e vertical – Soma de verificação – checksum – Verificação de redundância cíclica - CRC

• Códigos corretores de erros

Cyclic Redundancy Check

• Add k bits of redundant data to an n-bit

message

– want k << n

– e.g., k = 32 and n = 12,000 (1500 bytes)

• Represent n-bit message as n-1 degree

polynomial

– e.g., MSG=10011010 as M(x) = x7_{+ x}4 _{+ x}3_{+ x}1

• Let k be the degree of some divisor polynomial

(5)

CRC (cont)

• Transmit polynomial P(x) that is evenly divisible by C(x)

– shift left k bits, i.e., M(x)xk

– subtract remainder of M(x)xk_{/ C(x) from M(x)x}k

• Receiver polynomial P(x) + E(x)

– E(x) = 0 implies no errors

• Divide (P(x) + E(x)) by C(x); remainder zero if:

– E(x) was zero (no error), or – E(x) is exactly divisible by C(x)

Selecting C(x)

• All single-bit errors, as long as the xk_{and x}0_{terms have}

non-zero coefficients.

• All double-bit errors, as long as C(x) contains a factor with at least three terms

• Any odd number of errors, as long as C(x) contains the factor (x + 1)

• Any ‘burst’ error (i.e., sequence of consecutive error bits) for which the length of the burst is less than k bits.

• Most burst errors of larger than k bits can also be detected • See Table 2.6 on page 102 for common C(x)

Internet Checksum Algorithm

• View message as a sequence of 16-bit integers; sum using 16-bit complement arithmetic; take ones-complement of the result.

u_short

cksum(u_short *buf, int count) {

register u_long sum = 0; while (count--) {

sum += *buf++; if (sum & 0xFFFF0000) {

/* carry occurred, so wrap around */ sum &= 0xFFFF;

sum++; } }

return ~(sum & 0xFFFF); }

Violações de código da camada

física

• Método é baseado numa característica da

camada inferior

• Existem códigos de transmissão que

possuem uma transição no meio do período

de transmissão de um bit

• O início e fim de quadro são determinados

por um código de transmissão inválido

Violações de código da camada

física

• O início e fim de quadro são determinados

por um código de transmissão inválido

• Ex.: Codificação Manchester

1: alto à baixo 0: baixo à alto alto – alto:não usado baixo – baixo: não usado alto-alto-baixo-baixo à delimitador – Usado no padrão IEEE 802

Transmissão confiável

• O objetivo

de um serviço de transmissão confiável é:

Entregar

em ordem

e sem repetições

Os dados recebidos da camada física

(6)

Transmissão confiável: controle de

erros

• Mecanismos para oferecer serviço confiável

quanto a erros (regras de procedimento):

– Confirmação positiva e negativa de quadros pelo destinatário

– Temporização de quadros enviados pela origem – Número de seqüência de quadros

– Retransmissão de quadros um número finito de vezes

Transmissão confiável: controle de

fluxo

• Objetivo:

– Evitar que TX envie mais quadros que a capacidade de processamento de RX

• Idéia geral:

– Usar algum mecanismo de realimentação para que o TX saiba sobre o estado do RX – Normalmente existem regras que usam um

mecanismo explícito ou implícito para fazer o controle de fluxo

Comentários sobre as questões

de projeto

• Várias dessas questões se repetem em

outras camadas

• A solução a ser adotada para cada questão

depende da camada, protocolo e aplicação

• Essas questões são consideradas

fundamentais no projeto de qualquer

protocolo

Confirmação na carona:

Piggybacking

• Seja o seguinte protocolo ponto-a-ponto

entre entidades A e B:

– Usa confirmação

– A transmissão de dados é full-duplex

– É possível embutir numa PDU de dados enviada de B para A a confirmação de uma PDU de dados enviada de A para B já recebida (o mesmo para o caso contrário)

– Isto é conhecido como confirmação na carona ou Piggybacking

Confirmação na carona:

Piggybacking

• Melhor utilização do canal

• Utiliza apenas alguns bits ao contrário de

uma PDU de controle

• Menos PDUs a processar

• Possivelmente menos buffers no RX

• Se não há uma PDU para ser enviada de B

Ù A, quanto tempo deve-se esperar para

confirmar uma PDU já enviada e recebida de

A Ù B?

Transmissão confiável:

ARQ – automatic repeat request

• Estratégias que usam confirmações e

temporizações para implementar transmissão

confiável

– Algoritmo pára-e-espera – Algoritmos de janela deslizante – Canais lógicos concorrentes

(7)

Acknowledgements & Timeouts

Sender Receiver Frame ACK T im eout Tim e Sender Receiver Frame ACK Ti m eout Frame ACK Ti m eout Sender Receiver Frame ACK T im eout Frame ACK Ti m eout Sender Receiver Frame Ti m eout Frame ACK Ti m eout (a) (c) (b) (d) Redes de Computadores 38

Stop-and-Wait

Sender Receiver Frame 1 Frame 0 Frame 0 ACK 0 ACK 1 ACK 0 Redes de Computadores 39

Stop-and-Wait

• Problem: keeping the pipe full

• Example

1.5Mbps link x 45ms RTT = 67.5Kb (8KB) BitsPerFrame / TimePerFrame

= 1024 x 8 / 0,045 = 182 Kbps

1KB frames implies 1/8th link utilization

Protocolos de janela deslizante

• Princípio:

– Cada quadro tem um campo de número de seqüência de n bits

– O transmissor mantém um conjunto de números de seqüência que pode enviar

• Janela de transmissão (sending window)

– O receptor mantém um conjunto de números de seqüência que pode receber

• Janela de recepção (receiving window)

Sliding Window

• Allow multiple outstanding (un-ACKed)

frames

• Upper bound on un-ACKed frames, called

window

Sender Receiver

T

im

e

…

Protocolos de janela deslizante

• Os tamanhos das janelas de transmissão e

recepção não precisam ser os mesmos

• Números dentro da janela de transmissão

representam quadros

– Enviadas mas não confirmadas, ou – Não transmitidas ainda

(8)

Protocolos de janela deslizante

• PDUs transmitidas e não confirmadas devem

ser mantidas em buffers

• Deve haver um temporizador associado a

PDU transmitida a mais tempo

• Números dentro da janela de recepção

representam PDUs que podem ser aceitas

Protocolos de janela deslizante

• Confirmação:

– Quadros aceitos são confirmados na carona de um quadro de dados (piggybacking) ou por um quadro de controle

Janela deslizante de tamanho 1

Comentários sobre o

serviço oferecido

• A camada n+1 na máquina destino deve

receber os dados na mesma ordem em que

foram passados para a camada n na

máquina origem

– Isso pode ser obtido através do número de seqüência

– Neste caso, a camada n é a camada de enlace

Comentários sobre o

serviço oferecido

• A camada física implementa um canal de

comunicação FIFO (first-in-first-out), ou seja,

preserva a ordem dos quadros transmitidos

– Isto poderia ser outra forma de oferecer o serviço acima

Colisão em protocolos

• Duas entidades enviam dados

“simultaneamente”, cada uma para a outra

• Não é um erro do protocolo mas afeta o seu

(9)

Colisão em protocolos

O ambiente no

projeto de protocolos

• O ambiente onde o protocolo é executado

tem um papel importante no projeto de

protocolos

• Seja o seguinte cenário:

se Tempo para transmissão de uma PDU + Tempo de retorno da confirmação é grande

então pode haver uma baixa eficiência do canal de comunicação Redes de Computadores 51

O ambiente no

projeto de protocolos

• Exemplo:

– Canal de satélite de 50 kbps

– Tempo de propagação de ida e volta (round trip) = 500 ms

– Tamanho do quadro = 1000 bits

O ambiente no

projeto de protocolos

• Cenário

– t=0: início da transmissão – t=20: fim da TX do quadro

– t=270: receptor recebe todo o quadro – t=520: transmissor recebe confirmação

• Análise:

– Tempo de bloqueio do transmissor = 500 ms ou 500/520 = 96%

O ambiente no

projeto de protocolos

• Solução:

– Permitir que mais quadros sejam transmitidos antes de parar e esperar por confirmação – No exemplo acima, pelo menos 26 quadros Ù 520

ms

– Técnica conhecida como pipelining

Pipelining

• Questão a ser resolvida:

– Um quadro com erro no meio de uma seqüência deve ser ignorado ao chegar no RX

– O que o RX deve fazer com os quadros corretos restantes?

(10)

Pipelining

• Duas soluções básicas:

– Retransmitir a partir do quadro errado

• Go back n

– Repetir seletivamente

• Selective repeat

• A eficiência de cada solução depende do

tamanho da janela, taxa de erros, etc

Go back n: Recepção

• Ignora todos os quadros recebidos após o

quadro errado

• Confirma somente os quadros recebidos

corretamente na seqüência

Go back n: Transmissão

• Temporiza o primeiro quadro não confirmado

• Retransmite esse quadro

• Repete o processo até que todos os quadros

sejam confirmados, ou

• Até que um quadro seja enviado um número

máximo de vezes e não haja confirmação

Selective repeat

• Similar ao go back n, exceto que RX

armazena todos os quadros recebidos

corretamente

• Pode necessitar muitos buffers no caso do

tamanho da janela ser grande

Comentários sobre as soluções

• As duas soluções definem um compromisso

entre largura de banda (BW) e buffers

disponíveis

• A solução a ser adotada pode depender de

qual recurso é mais valioso

(11)

Determinando o

tamanho da janela

• Suponha uma janela de TX e RX de tamanho

8, duas entidades A e B, e o seguinte

cenário:

– A envia para B os quadros de 0 a 7

– B confirma para A (por exemplo, na carona) o quadro 7

– A envia para B mais um conjunto de quadros numerados de 0 a 7

– B confirma novamente para A o quadro 7

Determinando o

tamanho da janela

• B recebeu corretamente todos os dois

conjuntos de oito quadros?

– Não necessariamente!

• Um Ack 7 pode confirmar um dos seguintes

quadros:

... 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 …

• Com espaço de numeração de n bits podem

ser transmitidos no máximo 2

n

_{- 1 quadros}

Determinando o tamanho da janela

Determinando o

tamanho da janela

• Quando o tamanho da janela de transmissão

é igual ao espaço de numeração à

– Problemas de duplicação e ordenação

• Solução

à

– Sempre fazer a janela <= (MaxSeq + 1) /2

Simulação de temporizadores em

software

• Suponha que:

– Às 10:00:00.0 existam três timeouts pendentes:

• 10:00:00.5, • 10:00:01.3 e • 10:00:01.9

– O relógio real é incrementado a cada 100 ms

Simulação de temporizadores em

software

(12)

Comentário sobre projeto de

protocolos

• Princípio da separação de funções

– É preciso ter cuidado para distinguir funções às

vezes desempenhadas juntas num mesmo mecanismo:

• Entrega confiável • Entrega ordenada • Controle de fluxo

– Às vezes combinadas num mesmo protocolo de janela deslizante

Implementation aspects: sender

• Assign sequence number to each frame

– SeqNum

• Maintain three state variables:

– send window size (SWS) – last acknowledgment received (LAR) – last frame sent (LFS)

Implementation: Sender

• Maintain invariant: LFS - LAR <= SWS

• Advance LAR when ACK arrives • Buffer up to SWS frames £ SWS LAR LFS

…

Implementation: Receiver

• Maintain three state variables

– receive window size - (RWS) – largest frame acceptable - (LFA) – next frame expexted - (NFE)

• Maintain invariant:

LFA - NFE <= RWS

£ RWS

NFE LFA

…

Implementation: Receiver

• Frame SeqNum arrives:

– if NFE <= SeqNum < = LFA à accept – if SeqNum < NFE or SeqNum > LFA à discard