Camada de Enlace

(1)

Camada de Enlace

Profª. Dianne Scherly Varela de Medeiros 2018.1

(2)

Anteriormente...

• Controle de fluxo: por vezes o transmissor envia mais informação do que o receptor suporta

̶ Protocolos de janela deslizante regulam o transmissor

• Stop-and-Wait

• Go-Back-N

• Retransmissão Seletiva

• Protocolos de camada de enlace de canal ponto-a-ponto

̶ HDLC

̶ PPP

(3)

• Estações em canais de difusão compartilham o meio de transmissão simultaneamente

̶ Competição pelo acesso

̶ Necessário coordenar o acesso para reduzir interferências

• Interferência é chamada de colisão e afeta o receptor

̶ Quadros envolvidos na colisão são perdidos

• Quanto mais transmissores enviando quadros mais colisões ocorrem

̶ Largura de banda do canal desperdiçada com transmissões inúteis

28/08/2019 3

Controle de Acesso ao Meio

(4)

Fio compartilhado (Internet à cabo)

Meio sem-fio (rede Wi-Fi)

Reunião/Aula/Festa Satélite

Controle de Acesso ao Meio

(5)

• Protocolo de acesso múltiplo ideal

̶ Se apenas um nó deseja transmitir, transmite a 𝑅 bits/s

̶ Se 𝑀 nós desejam transmitir, cada um tem uma vazão média de 𝑅/𝑀 bits/s

̶ Protocolo deve ser decentralizado

• Não existe um nó mestre

̶ Protocolo simples, barato para implementar

28/08/2019 5

Controle de Acesso ao Meio

(6)

Tipos de Protocolos de Acesso ao Meio

• Principais métodos

̶ Protocolos de divisão de canal: canal dividido em pequenos pedaços e cada pedaço é alocado para um transmissor

̶ Protocolos de acesso aleatório: canal não é dividido e podem ocorrer colisões, no entanto o sistema se recupera

̶ Protocolos de revezamento: canal não é dividido e não ocorrem colisões porque é concedida a oportunidade de transmitir a cada nó separadamente, de forma alternada

(7)

Tipos de Protocolos de Acesso ao Meio

Protocolos de acesso ao meio

Protocolos de divisão de canal

Protocolos de acesso aleatório

Protocolos de revezamento

• FDMA

• TDMA

• CDMA

• ALOHA

• CSMA

• Varredura

• Reserva

• Passagem de tokens

7 28/08/2019

(8)

Acesso Múltiplo vs. Multiplexação

• Relembrando...

̶ Multiplexação: ocorre quando sinais a serem transmitidos são combinados para serem transmitidos em um único canal de maior capacidade

̶ Acesso múltiplo: ocorre quando diferentes fontes necessitam acessar o mesmo canal para transmitir seus sinais

(9)

Protocolos de Divisão de Canal

• Canal compartilhado é dividido entre os diferentes

transmissores no tempo, em frequência, em comprimento de onda, por código ou no espaço

• Não ocorre colisão porque cada porção do canal é dedicada a um transmissor

• Exemplos: TDMA (TDM), FDMA (FDM), OFDMA (OFDM), WDMA (WDM), CDMA (CDM), SDMA (SDM)

28/08/2019 9

(10)

Protocolos de Acesso Aleatório

• Totalmente descentralizados

• Pode ocorrer interferência entre os sinais (colisão de quadros)

• Todas as fontes têm direito de transmitir

̶ Não há monopolização do canal

̶ Não existe ordem de acesso

• Tentam maximizar o uso do canal

(11)

Protocolos de Acesso Aleatório

• Requisitos de projeto

̶ Como decidir quando a estação pode acessar o meio

̶ O que fazer enquanto o meio está ocupado

̶ Como determinar que a transmissão foi bem sucedida

̶ O que fazer quando ocorre colisão

11 28/08/2019

(12)

Protocolos de Revezamento

• Transmissores não podem enviar dados a menos que tenham sido autorizados

• Não ocorrem colisões porque não existe disputa pelo meio

(13)

Protocolos

de Acesso Aleatório

28/08/2019 13

(14)

ALOHA

• Primeiro método de acesso aleatório

̶ Desenvolvido na década de 70 para operar na rede ALOHA

• Primeira rede baseada em pacotes

• LAN via rádio que interligava computadores em várias ilhas no Havaí

• Duas abordagens: ALOHA puro, slotted ALOHA

(15)

ALOHA Puro

• Se a estação tem algo para transmitir, envia os dados

̶ Não há escuta do meio

̶ Estação destino confirma recepção enviando um reconhecimento positivo (ACK)

̶ Se houver transmissão simultânea ocorre colisão

• Colisão inferida através do não recebimento de um reconhecimento positivo (ACK)

• Não recebimento do ACK também pode indicar quadro recebido com erro

15 28/08/2019

(16)

ALOHA Puro

• Se o ACK não for recebido

̶ Quadro retransmitido após um tempo aleatório

• Reduz a probabilidade de nova colisão

̶ Estação retransmite até receber um ACK

• Pouco eficiente: ≈18% de eficiência

̶ Muitas colisões

(17)

ALOHA Puro

t 1

1

2

2 ACK

ACK

Tempo aleatório

17 28/08/2019

(18)

Eficiência do ALOHA Puro

• Eficiência

̶ Probabilidade de colisão: quadro em 𝑡₀ colide com outros quadros enviados em [𝑡₀ − 1, 𝑡₀ + 1]

𝑃 𝑠𝑢𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 = 𝐶_𝑛,1 × 𝑃 𝑛ó 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑖𝑟

× 𝑃 𝑛𝑒𝑛ℎ𝑢𝑚 𝑜𝑢𝑡𝑟𝑜 𝑛ó 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑖𝑟 𝑒𝑚 𝑡₀ − 1

× 𝑃 𝑛𝑒𝑛ℎ𝑢𝑚 𝑜𝑢𝑡𝑟𝑜 𝑛ó 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑖𝑟 𝑒𝑚 𝑡₀ + 1

𝑃 𝑠𝑢𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 = 𝑛. 𝑝 × 1 − 𝑝 ^𝑛−1 × 1 − 𝑝 ^𝑛−1 = 𝑛. 𝑝. 1 − 𝑝 ^{2 𝑛−1} 𝑃 𝑠𝑢𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 = ¹

2𝑒 ≈ 18% ⇒ Quando 𝑝 é ótimo e 𝑛 → ∞

(19)

ALOHA Puro

• Eficiência, 𝑝 ótimo (𝑝

^∗

)

𝑑 𝑛. 𝑝^∗. 1 − 𝑝^{∗ 2 𝑛−1}

𝑑𝑝 = 0

⇒ 𝑛. 1 − 𝑝^{∗ 2 𝑛−1} + 𝑛. 𝑝^∗. 2 𝑛 − 1 . 1 − 𝑝^{∗ 2 𝑛−1 −1}. −1 = 0

⇒ 1 − 𝑝^{∗ 2 𝑛−1} = 𝑝^∗. 2 𝑛 − 1 . 1 − 𝑝^{∗ 2 𝑛−1 −1}

⇒ 1 − 𝑝^{∗ 2 𝑛−1} = ^𝑝^∗.2 𝑛−1 . 1−𝑝^{∗ 2 𝑛−1} 1−𝑝^∗

⇒ 1 − 𝑝^∗ = 𝑝^∗. 2 𝑛 − 1

⇒ 1 − 𝑝^∗ = 2𝑝^∗. 𝑛 − 2𝑝^∗

⇒ 1 = 2𝑝^∗. 𝑛 − 𝑝^∗

⇒ 𝒑^∗ = ^𝟏

𝟐𝒏−𝟏

19

(20)

ALOHA Puro

• Eficiência, substituindo 𝑝

^∗

=

¹

2𝑛−1

em 𝑛𝑝 1 − 𝑝

^{2 𝑛−1}

⇒ lim

n→∞

n

2n−1 × 1 − ¹

2𝑛−1

2 𝑛−1

⇒

n→∞lim 1− ¹

2𝑛−1

n→∞lim

2𝑛−2 𝑛

= ¹

2𝑒 ≈ 18%

𝑛→∞lim 1 − 1 𝑛

𝑛

= 1 𝑒

(21)

Slotted ALOHA

• Eficiência do ALOHA puro é muito baixa

̶ Não existe definição de quando uma estação pode transmitir

• O tempo é dividido em slots

̶ Quando uma estação deseja transmitir, espera o início do próximo slot

̶ Estações sincronizadas para saber quando os slots começam

̶ Se duas ou mais estações transmitem no mesmo slot ocorre colisão

• Inferida pelo não recebimento de um ACK

21 28/08/2019

(22)

Slotted ALOHA

• Se o ACK não for recebido

̶ Quadro retransmitido no próximo slot com probabilidade 𝑝

• Reduz a probabilidade de nova colisão

̶ Estação retransmite com probabilidade 𝑝 nos slots seguintes até receber um ACK

• Melhor, mas ainda pouco eficiente: ≈37% de eficiência

̶ Muitas colisões

• Meio ocioso

(23)

Slotted ALOHA

t 1

1

2

2 3 ACK

𝑡₀ 𝑡₁ 𝑡₂ 𝑡₃ 𝑡₄ 𝑡₅ 𝑡₆

ACK

𝑡₇

2

23 28/08/2019

0 1 2 3 4 5 6

p q

(24)

Slotted ALOHA

• Eficiência

̶ Probabilidade de colisão: quadro em 𝑡₀ colide com outros quadros enviados no slot

𝑃 1 𝑛ó 𝑡𝑒𝑟 𝑠𝑢𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 𝑒𝑚 1 𝑠𝑙𝑜𝑡 = 𝑃 1 𝑛ó 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑖𝑟

× 𝑃 𝑛𝑒𝑛ℎ𝑢𝑚 𝑛ó 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑖𝑟 = 𝑝. 1 − 𝑝 ^𝑛−1 𝑃 𝑞𝑢𝑎𝑙𝑞𝑢𝑒𝑟 𝑛ó 𝑡𝑒𝑟 𝑠𝑢𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 = 𝑛. 𝑝. 1 − 𝑝 ^𝑛−1

𝑃 𝑠𝑢𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 = ¹

𝑒 ≈ 37% ⇒ Quando 𝑝 é ótimo e 𝑛 → ∞

(25)

Slotted ALOHA

• Eficiência, 𝑝 ótimo (𝑝

^∗

)

𝑑 𝑛. 𝑝^∗. 1 − 𝑝^∗ ^𝑛−1

𝑑𝑝 = 0

⇒ 𝑛. 1 − 𝑝^∗ ^𝑛−1 + 𝑛. 𝑝^∗. 𝑛 − 1 . 1 − 𝑝^∗ ^{𝑛−1 −1}. −1 = 0

⇒ 1 − 𝑝^∗ ^𝑛−1 = 𝑝^∗. 𝑛 − 1 . 1 − 𝑝^∗ ^{𝑛−1 −1}

⇒ 1 − 𝑝^∗ ^𝑛−1 = ^𝑝^∗. 𝑛−1 . 1−𝑝^{∗ 𝑛−1} 1−𝑝^∗

⇒ 1 − 𝑝^∗ = 𝑝^∗. 𝑛 − 1

⇒ 1 − 𝑝^∗ = 𝑝^∗. 𝑛 − 𝑝^∗

⇒ 1 = 𝑝^∗. 𝑛

⇒ 𝒑^∗ = ^𝟏

𝒏

25

(26)

Slotted ALOHA

• Eficiência, substituindo 𝑝

^∗

=

¹

𝑛

em 𝑛𝑝 1 − 𝑝

^{2 𝑛−1}

⇒ lim

n→∞ 1 − ¹

n

𝑛−1

⇒

n→∞lim 1−¹

𝑛 𝑛

n→∞lim 1−¹

𝑛

= ¹

𝑒 ≈ 37%

𝑛→∞lim 1 − 1 𝑛

𝑛

= 1 𝑒

(27)

Vantagens

• Simples

• Altamente descentralizados

• Nó que consegue transmitir utiliza a taxa máxima do

canal

ALOHA puro e Slotted ALOHA

• Muito ineficientes

• Desperdício de recursos devido às colisões

• [Slotted ALOHA] Slots ociosos mesmo quando existe estação querendo transmitir

• [Slotted ALOHA]

Sincronização de relógios Desvantagens

28/08/2019 27

(28)

Acesso Múltiplo com Detecção de Portadora

• CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

• Analogia: não interrompa quando outros falam

̶ Antes de falar, escute (detecção de portadora)

̶ Se alguém estiver falando, espere

̶ Se a conversa for educada

• Quando alguém falar ao mesmo tempo que você, pare de falar (detecção da colisão)

(29)

Acesso Múltiplo com Detecção de Portadora

• CSMA x ALOHA

̶ ALOHA não escuta o meio

̶ ALOHA não para a transmissão quando detecta colisão

29 28/08/2019

(30)

Acesso Múltiplo com Detecção de Portadora

• Realmente existe colisão?

̶ Sim!

̶ Atraso de propagação

• Exemplo

̶ B escuta o meio em 𝑡₀

• Livre

̶ D escuta o meio em 𝑡₁

• Livre

̶ Se C fosse o destino

• Ruído

(31)

Acesso Múltiplo com Detecção de Portadora

• Realmente existe colisão?

̶ Sim!

̶ Atraso de propagação

• Quanto maior o tamanho da rede, maior o atraso de propagação entre as extremidades

̶ Maior probabilidade de colisão

• Quanto menor o tamanho da rede, mais efetiva é a escuta de portadora

̶ LANs

31 28/08/2019

(32)

Acesso Múltiplo com Detecção de Portadora

• Tipos de CSMA

̶ CSMA persistente

̶ CSMA não-persistente

̶ CSMA p-persistente

̶ CSMA/CA (Collision Avoidance)

̶ CSMA/CD (Collision Detection)

Colisão inferida pelo não recebimento de um ACK

Colisão detectada

(33)

• Escuta o meio e se estiver livre, transmite

̶ Se estiver ocupado, continua escutando até ficar livre

• Se houver colisão, espera um tempo aleatório para recomeçar o processo

33 28/08/2019

CSMA Persistente

(34)

CSMA Persistente

Escuta o meio

Meio livre?

Transmite o quadro

Colisão? Fim da

S

N

S N

Atraso aleatório

Retransmissão

S

(35)

• Escuta o meio e se estiver livre, transmite

̶ Se estiver ocupado, espera um tempo aleatório e volta a escutar o meio

• Se houver colisão, espera um tempo aleatório para recomeçar o processo

35 28/08/2019

CSMA Não-Persistente

(36)

CSMA Não-Persistente

Escuta o meio

Meio livre?

Transmite o quadro

Colisão? Fim da

Atraso aleatório

Retransmissão

S

S N

N

(37)

• Divide o tempo em slots

• Escuta o meio e se estiver ocupado, espera pelo próximo slot para voltar a escutar o meio

̶ Se estiver livre, transmite com probabilidade 𝑝 ou espera o próximo slot com probabilidade 1 − 𝑝

• Se estiver livre no próximo slot, novo sorteio com

probabilidade p, mas se estiver ocupado, age como se houvesse ocorrido colisão

• Se houver colisão, espera um tempo aleatório para recomeçar o processo

37 28/08/2019

CSMA p-Persistente

(38)

CSMA p-Persistente

Escuta o meio

Meio livre?

Transmite o quadro Atraso T s

Meio livre?

S

Prob.

S N

p 1-p

Escuta o meio Atraso aleatório

Retransmissão

N Atraso T s

(39)

• Escuta a portadora como no CSMA persistente

• Detecta colisões

̶ Transmissor escuta o meio enquanto transmite

̶ Cancela a transmissão quando detecta a colisão

̶ Informa para todas as estações que a colisão ocorreu

• Caso ocorra colisão, tenta novamente após período aleatório

• Mais detalhes quando estudarmos o padrão IEEE 802.3 (Ethernet)

28/08/2019

CSMA/CD (Collision Detection)

(40)

CSMA/CD (Collision Detection)

Escuta o meio

Meio livre?

Transmite o quadro

Colisão? Fim da

transmissão S

S N

Atraso aleatório

Retransmissão

N

Cancela transmissão

Envia jam

(41)

CSMA/CD (Collision Detection)

• Exemplo

̶ B escuta o meio em 𝑡₀

• Livre

̶ D escuta o meio em 𝑡₁

• Livre

̶ Se C fosse o destino

• Ruído

28/08/2019 41

(42)

CSMA/CD (Collision Detection)

• CSMA x CSMA/CD

(43)

CSMA/CD (Collision Detection)

• Garantir que todas as estações detectem a colisão

• Como?

̶ O meio precisa ser ocupado durante um tempo de ida e volta (RTT), que é o dobro do atraso de propagação do meio

43 28/08/2019

(44)

CSMA/CD (Collision Detection)

Bob envia quadro em 𝑡₀

Quadro demora 𝜏 para chegar em Alice

(45)

CSMA/CD (Collision Detection)

Quadro demora 𝜏 para chegar em Alice Alice envia quadro em 𝜏 − 𝜀

(46)

CSMA/CD (Collision Detection)

Alice detecta colisão no tempo 𝜏

(47)

CSMA/CD (Collision Detection)

Alice detecta colisão no tempo 𝜏

(48)

CSMA/CD (Collision Detection)

Alice detecta colisão no tempo 𝜏 Alice envia o jam

Jam chega em Bob em 2𝜏

(49)

CSMA/CD (Collision Detection)

• Eficiência do CSMA/CD

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖ê𝑛𝑐𝑖𝑎 = 1

1 + 5 ⋅ 𝑡

_{𝑝𝑟𝑜𝑝}

𝑡

_{𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠}

28/08/2019 49

Tráfego oferecido

(quadros/tempo de quadro)

Vazão

(50)

CSMA/CA (Collision Avoidance)

• CSMA/CD funciona porque o transmissor consegue escutar o meio enquanto transmite

• Em redes sem fio, o que fazer?

̶ Transmissor “surdo” quando envia dados

• Colisão só é vista pelo receptor

(51)

• Escuta o meio por um período curto

̶ Se o meio estiver livre por todo o período, transmite o quadro

̶ Se for ocupado durante esse período, sorteia um atraso aleatório e volta a escutar o meio

• Sempre que o meio estiver livre, diminui o contador do atraso aleatório e transmite quando o contador chega em 0

• Quando ocorre colisão, sorteia um atraso aleatório e volta a escutar o meio

• Mais detalhes quando estudarmos o padrão IEEE 802.11 (Wi-Fi)

51 28/08/2019

CSMA/CA (Collision Avoidance)

(52)

Colisão?

(ACK não recebido)

CSMA/CA (Collision Avoidance)

Fim da transmissão

Escuta o meio por

curto período Atraso aleatório

Meio livre por todo o período?

Transmite o quadro

Para a contagem regressiva

Cont. contagem regressiva

Meio livre?

Escuta o meio

S

N

S

(53)

Desvantagens

• Tempo de duração da colisão é desperdiçado

CSMA, CSMA/CD e CSMA/CA

• Escuta o meio

• Reduz efeito nocivo das colisões

• [CSMA/CD] Escuta ocorre mesmo durante a

transmissão

• Descentralizado

• Não necessita de sincronização

Vantagens

28/08/2019 53

(54)

Protocolos de Revezamento

(55)

Varredura (Polling)

• A estação centralizadora envia mensagens para as outras, individualmente, convidando-as a transmitir (polling)

̶ Quem tem dados para transmitir, envia os dados

• Quando a estação centralizadora tem dados para enviar para outra estação, primeiro alerta a estação e em seguida envia os dados

• Um dos modos de funcionamento do Wi-Fi (IEEE 802.11)

55 28/08/2019

(56)

Varredura (Polling)

• Vantagem

̶ Transmissão com taxa máxima

̶ Não ocorre colisão

• Desvantagem

̶ Aumento na latência

̶ Sobrecarga de controle

̶ Ponto único de falha

(57)

Reserva

• Antes de enviar dados o transmissor faz um pedido de reserva a um nó centralizador

̶ O nó centralizador escalona o posterior acesso ao meio

̶ Colisões podem ocorrer durante os pedidos, dependendo do protocolo

• Vantagem

̶ Após reserva, não há colisão

• Desvantagem

̶ Ponto único de falha

̶ Colisão nos pedidos

57 28/08/2019

(58)

Passagem de Token

• Estações organizadas em um anel lógico

• Token é um pacote especial que permite a transmissão de dados

̶ Quem está com a posse do token pode enviar dados

̶ Circula em um único sentido, de uma estação para a próxima

• A estação libera o token apenas quando não tem mais dados para enviar

̶ Métodos de gerenciamento para evitar inanição das outras estações

• Usado nas redes Token Ring e FDDI

(59)

Passagem de Tokens

• Vantagem

̶ Não ocorre colisão

• Desvantagem

̶ Sobrecarga com a passagem de permissão

̶ Token pode ser perdido

̶ Aumento da latência

59 28/08/2019

(60)

Material Utilizado

• Notas de aula do Prof. Miguel Elias Mitre Campista disponíveis em

http://www.gta.ufrj.br/~miguel/redes.2016.3.html

• Notas de aula dos Profs. Kurose e Ross disponíveis em

http://www-net.cs.umass.edu/kurose-ross-ppt-6e/

(61)

Leitura Recomendada

• Cap. 5: 5.3

̶ Jim Kurose e Keith Ross, “Redes de Computadores e a Internet – Uma abordagem Top-Down”, 6a Edição, Ed.

Pearson, 2013, ISBN 978-0-13-285620-1

• Cap. 4: 4.1, 4.2

̶ Andrew S. Tanenbaum, “Redes de Computadores”, 5a Edição, Ed. Pearson, 2011, ISBN 978-0-13-212695-3

28/08/2019 61