Camada de Enlace
Para dar suporte a nossa comunicação, o modelo OSI divide as funções de uma rede de dados em camadas.
Recapitulando:
A camada de Aplicação fornece a interface para o usuário.
A camada de transporte é responsável pela divisão e gerenciamento das comunicações entre os processos que são executados nos dois sistemas finais.
Os protocolos da camada de rede organizam os dados de comunicação de modo que eles possam viajar através da conexão de rede a partir do host de origem até o host de destino.
Para que os pacotes da camada de Rede sejam transportados do host de origem ao host de destino, eles devem atravessar diferentes redes físicas. Essas redes físicas podem consistir de diferentes tipos de meios físicos como fios de cobre, microondas, fibras óticas e links de satélite. Os pacotes da camada de rede não têm um caminho para acessar diretamente estes diferentes meios.
O papel da camada de enlace do modelo OSI é preparar os pacotes da camada de Rede para transmissão no meio físico.
Este capítulo introduz as funções gerais da camada de enlace e os protocolos a ela associados.
Objetivos
Após o término deste capítulo, você será capaz de:
Explicar o papel dos protocolos camada de Enlace na transmissão de dados.
Descrever como a camada de enlace prepara os dados para transmissão.
Descrever os diferentes tipos de métodos de controle de acesso ao meio.
Identificar as várias topologias lógicas de rede e descrever como essas topologias determinam o método de controle de acesso ao meio para aquela rede.
Explicar o propósito dos pacotes de encapsulamento em quadros para facilitar o acesso ao meio.
Descrever a estrutura de quadro da camada 2 e identificar campos genéricos.
Explicar a função do cabeçalho de quadro e campos de trailer, incluindo o endereçamento, tipo de protocolo e Sequência de Verificação do Quadro.
7.0.1 INTRODUÇÃO AO CAPÍTULO
A Camada de Enlace fornece um meio para troca de dados sobre um meio local comum.
A Camada de Enlace realiza dois serviços básicos:
Permite às camadas superiores acessarem o meio usando técnicas como enquadramento
Controla como o dado é colocado sobre o meio e é recebido do meio usando técnicas como o controle de acesso ao meio e detecção de erros.
Como com cada uma das camadas OSI, existem termos específicos a esta camada:
Quadro - A PDU da camada de Enlace
Nó - A notação da Camada 2 para dispositivos de rede conectados a um meio comum.
Meio/Mídia (físico)1 - O meio físico para transferência de informação entre dois nós
Rede (física)2 - Dois ou mais nós conectados a um meio comum.
A Camada de Enlace é responsável pela troca de quadros entre nós sobre o meio de uma rede física.
Acesso da Camada Superior ao Meio
Como nós discutimos anteriormente, um modelo de rede permite a cada camada funcionar com preocupação mínima acerca dos papéis das outras camadas. A Camada de Enlace libera as camadas superiores da responsabilidade de colocar os dados na rede e recebê-los.
Essa camada fornece serviços para suportar os processos de comunicação para cada meio sobre o qual o dado deve ser transmitido.
1 É importante compreender o significado das palavras meio e mídia dentro do contexto deste capítulo. Aqui, estas palavras se referem ao material que realmente transporta os sinais que representam os dados transmitidos. Meio ou mídia é o cabo físico de cobre, fibra ótica, ou atmosfera através do qual os sinais viajam. Neste capítulo, mídia não se refere a uma programação de conteúdo como áudio, animação, televisão e vídeo conforme usados quando se referem a conteúdo digital e multimídia.
22 Uma rede física é diferente de uma rede lógica. Redes lógicas são definidas na camada de Rede pelo arranjo do esquema de endereçamento hierárquico.
Redes físicas representam a interconexão de dispositivos sobre um meio comum. Às vezes, uma rede física também é referida como um segmento de rede.
2 Parte de uma rede de computadores que cada dispositivo se comunica usando o mesmo meio físico. Os segmentos de rede são entendidos por hubs ou repetidores.
7.1.1 CAMADA DE ENLACE DE DADOS – SERVIÇOS DE SUPORTE – CONEXÃO PARA CAMADA SUPERIOR
Em qualquer troca de pacotes da camada de Rede, podem haver numerosas transições da Camadas de Enlace. Em cada salto ao longo do caminho, um dispositivo intermediário - geralmente um roteador - aceita quadros de um meio, desencapsula o quadro e então encaminha o pacote em um novo e apropriado quadro ao meio daquele segmento de rede física.
Imagine uma conversa de dados entre dois hosts distantes, como um PC em Paris com um servidor de Internet no Japão. Em- bora os dois hosts possam estar se comunicando com seus protocolos par3 da camada de Rede (IP por exemplo), é provável que nume- rosos protocolos da camada de Enlace estejam sendo usados para transportar os pacotes IP sobre vários tipos de LANs e WANs. Esta troca de pacotes entre dois hosts exige uma diversidade de protocolos que devem existir na Camada de Enlace. Cada transição em um roteador pode exigir um protocolo da camada de Enlace diferente para transporte em um novo meio.
Observe na figura que cada link entre os dispositivos usa um meio diferente. Entre o PC e o roteador pode estar um link Ether- net. Os roteadores são conectados através de link de satélite e o laptop é conectado através de um link de rede sem fio até o último roteador. Neste exemplo, à medida que um pacote IP viaja do PC ao laptop, ele será encapsulado em um quadro Ethernet, desencapsu- lado, processado e então encapsulado em um novo quadro para atravessar o link de satélite. Para o link final, o pacote usará um quadro de enlace de dados de rede sem fio do roteador ao laptop.
A Camada de Enlace isola de modo efetivo os processos de comunicação nas camadas superiores a partir das transições de meio físico que podem ocorrer fim-a-fim. Um pacote é recebido e direcionado a um protocolo da camada superior, neste caso o IPv4 ou o IPv6, que não precisa estar a par de qual meio de comunicação ele usará.
Sem a Camada de Enlace, um protocolo da camada de Rede, como o IP, teria que a conexão a cada tipo de meio que poderia existir ao longo do caminho de entrega. Além disso, o IP teria que se adaptar toda vez que uma nova tecnologia ou meio de rede fosse desenvolvido. Este processo impediria a inovação e o desenvolvimento de protocolo e meio de rede. Esta é a razão principal para o uso de uma abordagem em camadas para redes de comunicação.
A gama de serviços da camada de Enlace também precisa incluir todos os tipos de meio usados atualmente e os métodos para acessá-los. Por causa do número de serviços de comunicação fornecidos pela Camada de Enlace é difícil generalizar o seu papel e apre- sentar exemplos de um conjunto genérico de serviços. Por essa razão, observe que qualquer protocolo pode ou não suportar todos estes serviços da camada de Enlace.
Fundamentos de Interconexão de Redes
http://www.cisco.com/en/US/docs/internetworking/technology/handbook/Intro-to-Internet.html MTU
http://www.tcpipguide.com/free/t_IPDatagramSizeMaximumTransmissionUnitMTUFragmentat.htm
3 Host ou nó que participa de alguma forma de um grupo. Por exemplo, a tecnologia ponto-a-ponto define um grupo de colegas que participam em conjunto na mesma atividade, cada um como um componente de servidor e cliente.
Os protocolos da camada 2 especificam o encapsulamento de um pacote em um quadro e as técnicas para levar o pacote encapsulado a intervalos determinados para cada meio. A técnica usada para levar o quadro a intervalos determinados para o meio é chamada de método de controle de acesso ao meio. Para os dados serem transferidos através de vários meios diferentes, podem ser exigidos métodos de controle de acesso ao meio durante o curso de uma comunicação simples.
Cada ambiente de rede que se depara com pacotes à medida que eles viajam de um host local a um host remoto pode ter diferentes características. Por exemplo, um ambiente de rede pode consistir de muitos hosts disputando o acesso ao meio de rede em uma base ad hoc. Um outro ambiente de rede pode consistir de uma conexão direta entre somente dois dispositivos sobre os quais o fluxo de dados ocorre sequencialmente como bits de uma maneira ordenada.
Os métodos de controle de acesso ao meio descritos pelos protocolos da camada de Enlace definem os processos pelos quais os dispositivos de rede podem acessar o meio de rede e transmitir quadros em diversos ambientes de rede.
Um nó, que é um dispositivo final, usa um adaptador para fazer a conexão à rede. Por exemplo, para se conectar a uma LAN, o dispositivo usaria uma Placa de Interface de Rede (NIC) para se conectar ao meio LAN. O adaptador gerencia o enquadramento e o controle de acesso ao meio.
Em dispositivos intermediários, como um roteador, no qual o tipo de meio pode mudar para cada rede conectada, diferentes interfaces físicas no roteador são usadas para encapsular o pacote dentro do quadro apropriado, e um método adequado de controle de acesso ao meio é usado para acessar cada link. O roteador da figura tem uma interface Ethernet para se conectar à LAN e uma interface serial para se conectar à WAN. À medida que o roteador processa os quadros, ele usará os serviços da camada de Enlace para recebê-lo de um meio, dez encapsulá-lo na PDU da Camada 3, ré encapsular a PDU dentro de um novo quadro, e colocá-lo no meio físico do próximo link da rede.
A descrição de um quadro é o elemento principal de cada protoloco da camada de Enlace. Os protolocos da camada de Enlace exigem informação de controle para possibilitar o funcionamento dos protocolos. A informação de controle pode mostrar:
Quais nós estão em comunicação
Quando a comunicação entre nós individuais começa e quando ela termina
Quais erros ocorreram enquanto os nós se comunicavam
Quais os próximos nós que se comunicarão
A Camada de Enlace prepara um pacote para transporte através do meio local encapsulando-o com um cabeçalho e um trailer para criar um quadro.
Diferente de outras PDUs que foram discutidas neste curso, o quadro da Camada de Enlace inclui:
Dados - O pacote da camada de Rede
Cabeçalho - Contém a informação de controle, como endereçamento, e é localizado no início da PDU.
Trailer - Contém a informação de controle adicionada ao final da PDU
7.1.2 CAMADA DE ENLACE – CONTROLE DE TRANSFERÊNCIA ATRAVÉS DO MEIO LOCAL
7.1.3 CAMADA DE ENLACE – CRIAÇÃO DE UM QUADRO
Estes elementos do quadro serão discutidos em mais detalhes posteriormente neste capítulo.
Formatação dos Dados para Transmissão
Quando o dado viaja sobre o meio, ele é convertido em um fluxo de bits, que podem ser 1 ou 0. Se um nó está recebendo longos fluxos de bits, como ele faz para determinar onde um quadro inicia e para, ou quais bits representam o endereço?
O enquadramento quebra o fluxo em agrupamentos decifráveis, com a informação de controle inserida no cabeçalho e no trailer como valores em diferentes campos. Este formato dá aos sinais físicos uma estrutura que pode ser recebida através de nós e decodificada em pacotes no destino.
Os tipos de campos típicos incluem:
Campos de indicadores de início e fim - Os limites iniciais e finais do quadro
Campos de denominação ou endereçamento
Campo de Tipo - O tipo de PDU contida no quadro
Qualidade - campos de controle
Um campo de dado - O quadro de payload (Pacote da camada de Rede)
Os campos no final do quadro formam o trailer. Esses campos são usados para detecção de erro e marcam o final do quadro.
Nem todos os protocolos incluem todos esses campos. Os padrões para um protocolo de Enlace de Dados específico definem o formato real do quadro. Exemplos de formatos de quadros serão discutidos no final deste capítulo.
A Camada de Enlace existe como uma camada que conecta os processos de software das camadas acima dela e da camada Física, abaixo dela. Como tal, ela prepara os pacotes da camada de Rede para a transmissão através de alguma forma de meio físico, seja ele cobre, fibra, ou atmosfera.
Em muitos casos, a Camada de Enlace é embutida como uma entidade física, como uma placa de interface de rede Ethernet4 (NIC), que está inserida no barramento de sistema de um computador e faz a conexão entre processos de software em execução no computador e meio físico. No entanto, a NIC não é somente uma entidade física. O software associado à NIC possibilita que ela realize suas funções intermediárias de preparação e codificação dos dados para transmissão de sinais a serem enviados pelo meio associado.
Sub-camadas de Enlace de Dados
Para suportar uma ampla variedade de funções de rede, a camada de Enlace é geralmente dividida em duas sub-camadas. Uma sub- camada superior e uma sub-camada inferior.
A sub-camada superior define os processos de software que fornecem serviços aos protocolos da camada de Rede.
A sub-camada inferior define os processos de acesso ao meio realizados pelo hardware.
A separação da camada de enlace em sub-camadas permite que um tipo de quadro definido pela camada superior acesse diferentes tipos de meio definidos pela camada inferior. Esse é o caso em muitas tecnologias LAN, incluindo a Ethernet.
As duas sub-camadas LAN são:
Logical Link Control (Controle de Link Lógico), ou LLC
A subcamada LLC coloca uma informação no quadro que identifica qual protocolo da camada de rede está sendo usado. Esta informação permite que múltiplos protocolos da camada 3, como o IP e o IPX, utilizem a mesma interface e meio de rede.
Media Access Control (Controle de Acesso ao Meio), ou MAC
A subcamada MAC fornece o endereçamento da camada de enlace e delimitação de dados de acordo com as exigências de sinalização física do meio e do tipo de protocolo da camada de Enlace em uso.
4 Hardware projetado para permitir que os computadores se comuniquem em uma rede de computadores.
7.1.4 CAMADA DE ENLACE – CONEXÃO DE SERVIÇOS DA CAMADA SUPERIOR AO MEIO
Diferente dos protocolos das camadas superiores do conjunto de aplicações TCP/IP, os protocolos da camada de Enlace geralmente não são definidos por Request for Comments (RFCs). Embora a Internet Engineering Task Force (IETF) mantenha os protocolos de serviços funcionais para o conjunto de protocolos TCP/IP nas camadas superiores, a IETF não define as funções e operação daquela camada de acesso à Rede do modelo. A Camada de Acesso à Rede TCP/IP é o equivalente das camadas de Enlace e Físicas do OSI. Estas duas camadas serão discutidas em capítulos separados para uma análise mais profunda.
Os protocolos e serviços da Camada de Enlace são descritos em organizações de engenharia (como o IEEE, ANSI e ITU) e em- presas de comunicações. As organizações de engenharia estabelecem padrões e protocolos públicos e abertos. As empresas de comuni- cações podem estabelecer e usar protocolos proprietários para aproveitar os novos avanços em tecnologia e oportunidades de mercado.
Os serviços e especificações da Camada de Enlace são definidos por múltiplos padrões baseados em uma variedade de tecno- logias e meio físico às quais os protocolos são aplicados. Alguns destes padrões integram os serviços da Camada 2 e Camada 1.
As organizações que definem os padrões e protocolos abertos que se aplicam à Camada de Enlace incluem:
International Organization for Standardization (ISO)
Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)
American National Standards Institute (ANSI)5
International Telecommunication Union (ITU)6
Diferente dos protocolos da camada superior, que são implementados na maior parte em software como o sistema operacional para host ou aplicações específicas, os processos da Camada de Enlace ocorrem tanto em software como em hardware. Os protocolos nesta camada são implementados dentro da eletrônica de adaptadores de rede com os quais o dispositivo se conecta à rede física.
Por exemplo, um dispositivo que implementa a Camada de Enlace em um computador seria a placa de interface de rede (NIC).
Para um laptop, um adaptador PCMCIA de rede sem fio é geralmente usado. Cada um desses adaptadores é o hardware que cumpre com os protocolos e padrões da Camada 2.
http://www.iso.org http://www.ieee.org http://www.ansi.org http://www.itu.int
5 O Instituto Nacional de Padrões Americano é uma organização privada sem fins lucrativos que supervisiona o desenvolvimento de padrões de consenso voluntário para produtos, serviços, processos, sistemas e pessoal nos Estados Unidos.
6 Regulamenta as transmissões internacionais de rádio e telecomunicações. Padroniza, organiza acordos de interconexão entre países para permitir co- municações internacionais por telefone e é responsável por alocar o espectro de rádio.
7.1.5 CAMADA DE ENLACE – PADRÕES
A regulação da colocação de quadros de dados sobre o meio é conhecida como controle de acesso ao meio. Entre as diferentes imple- mentações de protocolos da camada de Enlace, existem diferentes métodos de controle de acesso ao meio. Estas técnicas de controle de acesso ao meio definem se e como os nós compartilham o meio.
O controle de acesso ao meio é o equivalente das regras de trânsito que regulam a entrada de veículos em uma rodovia. A ausência de qualquer controle de acesso ao meio seria o equivalente a veículos ignorando todo o tráfego e entrando na rodovia sem respeitar os outros veículos.
No entanto, nem todas as rodovias e entradas são as mesmas. O tráfego pode entrar na rodovia esperando pela sua vez num sinal de parada, ou obedecendo os sinais luminosos. Um motorista segue um conjunto diferente de regras para cada tipo de entrada.
Na mesma forma, existem diferentes formas de regular a colocação de quadros sobre um meio. Os protocolos na Camada de enlace definem as regras de acesso a diferentes meios. Alguns métodos de controle de acesso ao meio usam processos altamente con- trolados que asseguram que os quadros sejam colocados de modo seguro no meio. Estes métodos são definidos por protocolos sofisti- cados, que requerem mecanismos que introduzem overhead na rede.
O método de controle de acesso ao meio usado depende de:
Compartilhamento do meio - Se e como os nós compartilham o meio
Topologia - Como a conexão entre os nós aparece na Camada de Enlace
7.2.1 COLOCANDO OS DADOS NO MEIO
Algumas topologias de rede compartilham um meio comum com múltiplos nós. A qualquer hora, podem existir vários dispositivos ten- tando enviar e receber dados no meio de rede. Existem regras que governam como esses dispositivos compartilham o meio.
Existem dois métodos básicos de controle de acesso ao meio paro meio compartilhado:
Controlado - Cada nó tem seu próprio tempo para usar o meio.
Baseados em Contenção - Todos os nós competem pelo uso do meio
Acesso Controlado para Meio Compartilhado
Quando se usa o método de acesso controlado, os dispositivos de rede se alternam, em sequência, para acessar o meio. Este método também é conhecido como acesso planejado ou determinístico7. Se um dispositivo não precisa acessar o meio, a oportunidade de usar o meio passa para o próximo dispositivo na linha. Quando o dispositivo coloca um quadro no meio, nenhum outro dispositivo pode fazer o mesmo até que o quadro tenha chegado ao destino e tenha sido processado.
Embora o acesso controlado seja bem ordenado e forneça uma taxa de transferência8 previsível, os métodos determinísticos podem ser ineficientes porque um dispositivo tem que esperar por sua vez antes que ele possa usar o meio.
O acesso baseado em contenção para Meio Compartilhado
Também referidos como não-determinísticos, os métodos baseados em contenção permitem que qualquer dispositivo tente acessar o meio sempre que ele tenha dados para enviar. Para impedir o caos completo no meio, estes métodos usam um processo de Carrier Sense Multiple Access (CSMA)9 para detectar primeiro se o meio está transportando algum sinal. Se um sinal portador sobre o meio de um outro nó é detectado, isso significa que um outro dispositivo está transmitindo dados. Quando o dispositivo tenta transmitir e vê que o meio está ocupado, ele irá esperar e tentar novamente após um curto período de tempo. Se nenhum sinal portador for detectado, o dispositivo transmite os seus dados. As redes Ethernet e sem fio usam controle de acesso ao meio baseado em contenção.
É possível que o processo CSMA falhe e dois dispositivos transmitam dados ao mesmo tempo. Isto é chamado de colisão de dados10. Se isso ocorrer, os dados enviados por ambos os dispositivos serão corrompidos e necessitarão ser reenviados.
Os métodos de controle de acesso ao meio baseados em contenção não têm o overhead dos métodos de acesso controlado.
Um mecanismo de rastreamento para verificar o acesso ao meio não é necessário. No entanto, os sistemas baseados em contenção não
7 Usado em tipologia de multi-acesso onde há regras que determinam quem pode transmitir. Um exemplo de rede determinística é uma topologia Token Ring em que a estação que tem o token pode transmitir. Enquanto só uma estação tiver o token, as outras estações esperam por ele para poder transmitir.
8 É a quantidade de dados digitais por unidade de tempo entregue de um nó para o outro. A taxa de transferência leva em conta as variáveis da latência.
9 Um protocolo no qual um único nó que quer transmitir aguarda uma onda portadora antes de tentar enviar. Se é detectada uma portadora, o nó aguarda que a transmissão em progresso acabe antes de iniciar sua própria transmissão.
10 Quando duas estações transmitem ao mesmo tempo numa topologia multi-acesso e todos os quadros de ambas as estações de envio colidem um com o outro, alterando a estrutura original do quadro e criando fragmentos.
7.2.2 CONTROLE DE ACESSO AO MEIO COMPARTILHADO
trabalham bem sob uso pesado do meio. À medida que o uso e o número de nós aumenta, a probabilidade de acesso bem sucedido ao meio sem colisão diminui. Adicionalmente, os mecanismos de recuperação necessários para corrigir erros devidos a essas colisões ainda diminuem a taxa de transferência.
O CSMA é geralmente implementado em conjunto com um método para resolução a contenção do meio. Os dois métodos geralmente usados são:
CSMA/Collision Detection (Detecção de Colisão)
Na CSMA/Collision Detection(CSMA/CD11), o dispositivo monitora o meio para verificar a presença de sinal de dados. Se um sinal de dados está ausente, indicando que o meio está livre, o dispositivo transmite os dados. Se são detectados sinais que mostram que um outro dispositivo estava transmitindo ao mesmo tempo, todos os dispositivos param de enviar e tentam novamente mais tarde. Formas tradicionais de uso da Ethernet neste método.
CSMA/Collision Avoidance (Prevenção de Colisão)
Na CSMA/Collision Avoidance(CSMA/CA12), o dispositivo examina o meio para verificar a presença de sinal de dados. Se estiver livre, o dispositivo envia uma notificação através do meio com sua intenção de usá-lo. O dispositivo então envia os dados. Esse método é usado pelas tecnologias de rede sem fio 802.11.
Nota: O CSMA/CD será abordado em mais detalhes no Capítulo 9.
11 Carrier Sense Multiple Accesses with Collision Detection (Multi-acesso com Verificação de Portadora e Detecção de Colisão). Mecanismo de acesso ao meio através do qual dispositivos prontos para transmitir dados, primeiro verificam se o canal tem uma portadora. Se não for detectada portadora durante um período específico, o dispositivo pode transmitir. Se os dois dispositivos transmitem ao mesmo tempo, ocorre uma colisão e é detectada por todos os dispositivos que colidirem. Essa colisão depois atrasa as retransmissões desses dispositivos durante um período aleatório. O acesso CSMA/CD é usado em Ethernet e IEEE 802.3.
12 Collision Sense Multiple Access with Collision Avoidance (Mult-acesso com Verificação de Colisão para Evitar Colisão). Tipo de CSMA que inclui CA (Evitar Colisão).
