Arquitetura de Redes
• Aula 6
1
Ethernet
Tecnologia de LAN com fio “dominante”:
• Primeira LAN de alta velocidade amplamente disseminada.
• Token ring, FDDI e ATM são tecnologias mais complexas e mais caras do que a Ethernet.
• A Ethernet sempre produziu versões que funcionavam a velocidades iguais, ou mais altas.
• O hardware para Ethernet passou a ser mercadoria comum, de custo muito baixo.
Projeto original da Ethernet de Metcalfe
Topologia de estrela
• topologia de barramento popular até meados dos anos 90 – todos os nós no mesmo domínio de colisão (podem
colidir uns com os outros)
• hoje: topologia de estrela prevalece – comutador ativo no centro
– cada “ponta” roda um protocolo Ethernet (separado) – nós não colidem uns com os outros
comutador barramento: cabo coaxial estrela
Estrutura do quadro Ethernet
Adaptador enviando encapsula datagrama IP (ou outro pacote de protocolo da camada de rede) no quadro Ethernet
Preâmbulo:
• 7 bytes com padrão 10101010 seguido por um byte com padrão 10101011
• usado para sincronizar taxas de clock do receptor e emissor
• Endereços: 6 bytes
– se adaptador recebe quadro com endereço de
destino combinando, ou com endereço de broadcast (p. e., pacote ARP), passa dados do quadro ao
protocolo da camada de rede
– caso contrário, adaptador descarta quadro Estrutura do quadro Ethernet
Estrutura do quadro Ethernet
O bit menos significativo do primeiro byte define o tipo de endereço.
Se o bit for 0, o endereço é unicast; caso contrário, é multicast.
O endereço de broadcast é um caso especial do endereço de multicast no qual todos os bits são 1s.
• Tipo: indica protocolo da camada mais alta
(principalmente IP, mas outros são possíveis, p. e., Novell IPX, AppleTalk)
• CRC: verificado no receptor; se detectar erro, quadro é descartado
Estrutura do quadro Ethernet
MAC Ethernet (IEEE 802.3)
• Tamanho Quadro Ethernet, de acordo com as especificações IEEE 802.3:
– Mínino - 64 Bytes ( 14 cabeçalho, 4 CRC e 1500 dados) – Máximo – 1518 Bytes( 14 cabeçalho, 4 CRC e 1500
dados)
Ethernet: não confiável, sem conexão
• sem conexão: sem apresentação entre NICs de origem e destino
• não confiável: NIC de destino não envia confirmações ou não confirmações à NIC de origem
– fluxo de datagramas passados à camada de rede pode ter lacunas (datagramas faltando)
– lacunas serão preenchidas se aplicação estiver usando TCP
– caso contrário, aplicação verá lacunas
• Protocolo MAC da Ethernet: CSMA/CD
Tecnologia Ethernet
– É preciso estar transmitindo para se detectar colisão.
– Taxa Ethernet: 10 Mbps, logo, 1 bit a cada 0,1 s.
– Quadro mínimo Ethernet: 64 Bytes = 512 bits.
– Quadro ≥ 2 . 10Mbps . tpropagação
• maior distância entre duas estações da rede deve ser menor ou igual do que a metade do tempo de transmissão de 1 quadro mínimo.
– Essa distância é o domínio de colisão: 25,6 s.
110010101011
110010101011 Colisão
Ethernet: domínio de colisão
• O maior caminho entre duas estações quaisquer da rede, em termo de tempo de
propagação do sinal, não pode exceder 25,6 microssegundos
Algoritmo CSMA/CD da Ethernet 1. NIC recebe datagrama da
camada de rede e cria quadro 2. Se NIC sentir canal ocioso,
inicia transmissão do quadro;
canal ocupado, espera até estar ocioso, depois transmite 3. Se NIC transmitir quadro
inteiro sem detectar outra
transmissão, NIC terminou com o quadro!
4. Se NIC detectar outra transmissão enquanto transmite, aborta e envia sinal de congestionamento 5. Depois de abortar, NIC entra
em backoff exponencial:
CSMA/CD da Ethernet (mais) Backoff exponencial:
• Objetivo: adaptar tentativas de retransmissão à carga estimada
– carga pesada: espera aleatória será maior
• primeira colisão: escolha K a partir de {0,1}; atraso é K · 512 tempos de transmissão de bit
• após segunda colisão: escolha K dentre {0,1,2,3}…
• após dez colisões, escolha K dentre {0,1,2,3,4,…,1023}
Tratamento de Colisões
havendo colisão: as estações envolvidas transmitem o sinal JAM, 32 bits 0's e 1's alternadamente, assim é garantida a colisão;
após o JAM, cada estação aguardará um intervalo de tempo randômico, determinado pelo algoritmo Binary
Exponential Back-off; (resposta rápida em baixa carga e estabilidade em alta carga);
idéia básica do Back-off: reduzir exponencialmente a probabilidade de colisões sucessivas;
o intervalo de tempo é um múltiplo do tamanho do slot;
Tratamento de Colisões
Algorítmo (BEB):
1a colisão: cada estação espera 0 ou 1 slot de tempo antes de tentar de novo;
2a colisão: cada estação espera 0, 1, 2 ou 3 slots de tempo;
na colisão: 0 até 2n - 1 slots de tempo;
nmáx = 16, após isso é reportado um erro (aviso a
camada superior que há problemas de comunicação).
Efeito Captura
• O Algorítmo de backoff (BEB) apresenta um efeito
colateral que pode provocar injustiça no acesso ao meio – Ethernet Capture Effect (ECE)
• Problema aparece em alta carga, quando há muitas colisões
• Estações que estão experimentando colisões sucessivas esperam mais tempo para TX, o contador é incrementado a cada nova colisão
Efeito Captura
• Estação que entrou em contenção recentemente ou aquela que ganhou último acesso ao meio zera o
contador e tem mais chances de continuar transmitindo.
Tem maior probabilidade de obter sucesso após uma nova colisão. A estação assim “captura” o meio.
• Exemplo de situação (próx. slide)
Efeito Captura (cont.)
• Estações A e B entram em contenção e possuem um grande volume de dados para TX (assumir só A e B transmitindo)
• A e B sentem canal livre e TX - colisão (BEB inicia)
• BEB: assuma que A pega “0” e B pega “1”
• A:TX e B:backoff e continua com o quadro antigo, ou seja, continua em estado de colisão (dentro do BEB)
• A pega novo quadro e os dois colidem novamente
• Primeira colisão para A (novo quadro) e segunda para B (quadro antigo)
Efeito Captura (cont.)
• A {0,1} enquanto B {0,1,2,3}. Chance de B não ter sucesso é maior
• A:TX e B:backoff outra vez
• A (mais um quadro) e B (quadro antigo) colidem de novo
• A:{0,1} e B:{0,…,7}. A captura o canal.
• Depois de 16 tentativas, B desiste e descarta o quadro.
Codificação Manchester
• usado no 10BaseT
• cada bit tem uma transição
• permite que clocks nos nós emissor e receptor sejam sincronizados entre si
– desnecessário para um clock centralizado, global entre os nós!
• Ei, isso é coisa da camada física!
Codificação Manchester
Padrões Ethernet 802.3:
camadas de enlace e física
• muitos padrões Ethernet diferentes
– protocolo MAC e formato de quadro comuns
– diferentes velocidades: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10G bps
– diferentes meios da camada física: fibra, cabo
camada física fibra camada física cobre (par trançado)
10Base5
10 Mbps, TX em banda básica, segmento máximo 500m;
Padrão original, divulgado em 1983 pelo IEEE;
especificações:
cabo coaxial de 50 ohm (RG-8 / RG-11) 10mm de diâmetro (thick Ethernet);
topologia: barra;
codificação Manchester;
no. Máximo de nós por segmento: 100;
10Base5
especificações:
conexões com o barramento: presas vampiro
cabo transceptor (AUI) para conexão (máximo 50m);
espaçamento entre taps: múltiplos de 2,5m;
extensões: até 4 repetidores entre duas estações extremas 4 repetidores - 5 segmentos - 2,5 Km (máximo absoluto).
10Base2
10 Mbps, TX em banda básica, segmento máximo 200m;
divulgado em 1988 pelo IEEE;
especificações:
cabo coaxial de 50 ohm (RG-58);
5mm de diâmetro (thin Ethernet);
mais flexível.
Codificação Manchester;
10Base2
especificações:
topologia: barra;
no. Máximo de nós por segmento: 30;
conexões com o barramento: conectores BNC geralmente transceptores internos à NIC;
distância mínima de 0,5m entre conexões;
importante: uso de terminadores nas extremidades.
10BaseT
10 Mbps, TX em banda básica, segmento máximo 100m;
divulgado em 1990 pelo IEEE;
especificações:
par trançado:
blindado - STP (caiu em desuso);
não blindado - UTP (mais usado) UTP Categoria5 até 100Mbps;
conectores RJ45 (Registered Jack 45).
10BaseT
especificações:
conexões ponto-a-ponto - HUB;
repetidor com múltiplas portas;
topologia: estrela (física) / barra (lógica);
máximo 100m entre HUB e estação (UTP5);
Fast Ethernet
100 Mbps, TX em banda básica, segmento máximo 100m;
solução mais prática e mais utilizada;
especificações:
par trançado:
não blindado - UTP (mais usado)
UTP Categoria5e ou 6a até 100Mbps;
conectores RJ45 (Registered Jack 45).
conexões ponto-a-ponto - Switch;
Full Duplex – não precisa CSMA/CD topologia: estrela;
Gigabit Ethernet: 802.3z
• Objetivo: levar o padrão Ethernet a taxas de 1Gbps
• Baseado em 2 tecnologias existentes: IEEE 802.3 (Ethernet) e ANSI X.3T 11 (Fiber Channel).
• Nível Físico:
– 1000BaseLX (laser long-wave – LW, sobre fibra mono/multi) – 1000BaseSX (laser short-wave – SW, sobre fibra multimodo) – 1000BaseCX (cooper de 150ohm blindados)
– 1000BaseT (cabos UTP)
• Uso mais comum: enlace ponto-a-ponto interligando switches
• CSMA/CD a 1Gbps: tempo de quadro viola o período de contenção do padrão
– Carrier Extension (bits adicionados ao quadro até o tamanho mínimo) – Frame bursting (TX de mais de 1 quadro sem liberar acesso ao meio)
Arquitetura de Redes
• Aula 6 - Atividade
31
Responda
Após todas as evoluções e variações propostas para o padrão Ethernet (IEE 802.3) original, uma única
característica permanece inalterada, e representa a
característica comum entre todas elas. Marque a opção abaixo que representa esta característica:
a) A taxa de transmissão
b) O uso de camada física de difusão c) O uso de comutadores (switches) d) O formato do quadro Ethernet
e) Nenhuma das anteriores
Responda
Após todas as evoluções e variações propostas para o padrão Ethernet (IEE 802.3) original, uma única
característica permanece inalterada, e representa a
característica comum entre todas elas. Marque a opção abaixo que representa esta característica:
a) A taxa de transmissão
b) O uso de camada física de difusão c) O uso de comutadores (switches) d) O formato do quadro Ethernet
e) Nenhuma das anteriores
Responda
Defina o tipo dos seguintes endereços de destino:
a. 4A:30:10:21:10:1A b. b. 47:20:1B:2E:08:EE
c. FF:FF:FF:FF:FF:FF
Responda
Defina o tipo dos seguintes endereços de destino:
a. 4A:30:10:21:10:1A b. b. 47:20:1B:2E:08:EE
c. FF:FF:FF:FF:FF:FF
• Solução:
• Para encontrar o tipo de endereço, precisamos olhar para o segundo dígito hexadecimal da esquerda.
• Se for par, o endereço é unicast.
• Se for ímpar, o endereço é multicast.
• Se todos os dígitos forem F, o endereço é broadcast.
• Portanto, temos o seguinte:
a. este é um endereço de unicast , porque A em binário é 1010.
b. b. este é um endereço de multicast porque 7 em binário é 0111.
c. c. este é um endereço de broadcast, porque todos os dígitos são F
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Responda
Mostre como o endereço 47:20:1B:2E:08:EE é enviado no cabo
Responda
Mostre como o endereço 47:20:1B:2E:08:EE é enviado no cabo
O endereço é enviado da esquerda para a direita, byte por byte;
para cada byte, ele é enviado direita para a esquerda, bit a bit;
