Fundamentos da Camada de Enlace: Funções, ARP e Protocolos

Lista de Exercícios da Unidade 5

1. Cite as principais funções da Camada de Enlace.

• Enquadramento de Dados: A Camada de Enlace precisa encapsular os pacotes IP em quadros antes de transmiti-los.
• Acesso ao Enlace: As regras que especificam como um dado nó da rede deve acessar o meio físico do enlace para transmitir um quadro são definidas no protocolo de acesso ao meio.
• Entrega Confiável: O serviço de entrega confiável de dados é praticamente o mesmo serviço implementado pela Camada de Transporte no protocolo TCP. O objetivo é garantir que um quadro transmitido por um dado nó de origem seja entregue com sucesso na outra extremidade do enlace. (Este serviço não é implementado por todas as tecnologias da Camada de Enlace.)
• Controle de Fluxo: Este é outro serviço que também é implementado pelo protocolo TCP da Camada de Transporte. É fundamental para regular e controlar a taxa de envio de dados entre os nós que compõem um dado enlace.
• Detecção e Correção de Erros: A detecção de erros é a capacidade de o nó destinatário descobrir se algum bit do quadro transmitido foi alterado.
• Transmissão Half-Duplex e Full-Duplex: Quando um enlace opera com transmissão full-duplex, os nós das extremidades do enlace podem transmitir e receber informações ao mesmo tempo. Já na transmissão half-duplex, um nó não pode transmitir e receber quadros simultaneamente.

2. Explique o que é multiplexação no contexto da Camada de Enlace.

Multiplexação é a subdivisão de um meio de transmissão em subcanais independentes. Por exemplo, a multiplexação pode ser feita no domínio da frequência, criando subcanais que operam em intervalos de frequência distintos.

3. Explique a finalidade e o funcionamento do protocolo ARP.

O protocolo ARP (Address Resolution Protocol) tem a função de fazer o mapeamento entre endereço IP e endereço MAC. No nível da Camada de Enlace, os quadros precisam ser endereçados utilizando os endereços MAC. Portanto, quando um nó A deseja enviar um quadro para um nó B, o nó A precisa saber qual o endereço MAC de B.

Considere dois nós A e B que pertencem à mesma sub-rede IP. O nó A deseja enviar um pacote IP para o nó B. Para isso, o pacote IP deve ser encapsulado em um quadro da tecnologia de enlace que, por sua vez, deve conter como destino o endereço MAC do nó B. O problema é que, a princípio, o nó A não sabe o endereço MAC do nó B. Este problema é resolvido pelo protocolo ARP.

Neste caso, o nó A envia uma query ARP em broadcast para todos os nós que pertencem à sua sub-rede. Esta query ARP equivale à seguinte pergunta: "Qual o endereço MAC da placa que está associada ao endereço IP B?".

Como esta pergunta é enviada em broadcast, todos os nós que pertencem à sub-rede a recebem, inclusive o nó B. Esta pergunta (query ARP) é enviada dentro de um quadro da Camada de Enlace contendo o endereço MAC de A como endereço de origem. Quando o nó B recebe a query ARP, ele aprende o endereço MAC do nó A. Em seguida, ele responde diretamente para o nó A o seu endereço MAC. Depois desse processo, o nó A aprende qual endereço MAC deve ser utilizado para enviar um quadro ao nó B.

4. Cite e explique as classes de protocolos de acesso ao meio.

Protocolos de Acesso com Divisão do Canal

A divisão do canal é feita no domínio da frequência (FDM) ou no domínio do tempo (TDM). Um termo mais apropriado para fazer alusão à divisão do canal é multiplexação. A Multiplexação por Divisão do Tempo (Time Division Multiplexing - TDM) consiste em um ciclo composto de n intervalos de igual período de tempo. Quando a multiplexação é feita no domínio da frequência (FDM), existe a divisão do meio de transmissão em subcanais independentes que operam em diferentes frequências.

Protocolos de Acesso Aleatórios

Cada máquina transmite utilizando toda a capacidade do canal. Nesses protocolos, não existe a alocação de subcanais. Por isso, duas máquinas podem transmitir ao mesmo tempo e na mesma frequência, o que acarreta uma colisão. Protocolos de acesso aleatórios têm como objetivo evitar transmissões simultâneas e, consequentemente, as colisões.

Protocolos de Revezamento

Existe um mecanismo capaz de conceder a oportunidade de transmitir para cada máquina que compartilha o enlace. A ideia é que as máquinas que compartilham o enlace façam uma espécie de revezamento para que todas tenham oportunidade de transmitir. Enquanto uma máquina transmite, as outras ficam impedidas de fazê-lo.

5. Diferencie TDM de FDM.

No TDM (Time Division Multiplexing), a multiplexação é realizada no domínio do tempo, enquanto no FDM (Frequency Division Multiplexing), a multiplexação é feita no domínio da frequência.

6. Descreva o funcionamento do protocolo CSMA-CD.

O CSMA (Carrier Sense Multiple Access) é um protocolo de múltiplos acessos com detecção de portadora. As máquinas que utilizam o CSMA possuem a capacidade de detectar se o meio de transmissão está ou não em uso. Assim, uma máquina somente transmite se detectar que o meio de transmissão está livre. Esta abordagem já diminui significativamente as colisões.

Ocorrência de Colisões no CSMA

Entretanto, colisões ainda podem ocorrer. Considere três máquinas A, B e C. Assuma que a máquina A começa a transmitir no instante de tempo t0 e logo em seguida a máquina B deseja transmitir. Se o sinal da transmissão da máquina A ainda não tiver propagado até a máquina B, B não detecta que o meio está ocupado e, por conseguinte, B transmite. Neste caso, haverá uma colisão.

Outra situação em que ocorre colisão, mesmo com a detecção de portadora, é quando coincidentemente duas máquinas começam a transmitir praticamente ao mesmo tempo. Ambas detectam que o meio está disponível e iniciam a transmissão.

Resolução de Colisões (CSMA-CD)

Após uma colisão, as máquinas envolvidas precisam retransmitir os seus quadros. Para minimizar futuras colisões, o protocolo CSMA-CD faz com que cada máquina envolvida na colisão sorteie um número aleatório (tempo de espera). As retransmissões devem acontecer depois desse tempo definido aleatoriamente. Por exemplo, após uma colisão de quadros das máquinas A e B, elas sorteiam, respectivamente, os tempos 3 e 7. Então, a máquina A retransmite depois de 3 unidades de tempo e a máquina B retransmite depois de 7 unidades de tempo. Essa medida separa as retransmissões, impedindo novas colisões. Vale ressaltar que, antes de retransmitir, cada máquina verifica se o meio está livre.

O CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) possui a capacidade de detectar a colisão. Com o uso do CSMA-CD, as máquinas envolvidas na colisão abortam a transmissão do quadro logo após a detecção da colisão. Isso diminui o desperdício de largura de banda, uma vez que o período de duração da colisão é encurtado.

7. Diferencie os seguintes dispositivos de interconexão: Hub, Switch e Roteador.

Hub

É um dispositivo de Camada Física (Camada 1). Suas portas pertencem a um mesmo domínio de colisão, pois ele simplesmente repete o sinal recebido para todas as outras portas.

Switch

Opera na Camada de Enlace (Camada 2). Ele isola suas portas em diferentes domínios de colisão, pois é capaz de aprender e mapear endereços MAC, enviando o quadro apenas para a porta de destino específica.

Roteador (Router)

Opera na Camada de Rede (Camada 3). É responsável por interconectar redes distintas e encaminhar pacotes baseando-se em endereços IP. Cada porta do roteador define um domínio de broadcast e um domínio de colisão separado.

8. O que é um domínio de colisão em uma rede Ethernet?

Domínio de colisão pode ser visto como um conjunto de máquinas que estão submetidas a uma única transmissão por vez. Isto é, se duas máquinas que pertencem a um mesmo domínio de colisão transmitem ao mesmo tempo, ocorrerá uma colisão e os dados não poderão ser entendidos no destinatário.

9. Explique como um Switch fragmenta suas portas em diferentes domínios de colisão.

Os switches são comutadores de Camada 2 (comutadores de quadros da Camada de Enlace). Esse dispositivo é essencial em redes Ethernet, que utiliza o protocolo aleatório de acesso ao meio CSMA-CD.

Diferente do Hub, o Switch apresenta um comportamento inteligente: ele é capaz de aprender e mapear os endereços MAC associados a cada uma de suas portas.

Considere um cenário com um Switch que possui 4 portas. Depois que o Switch é ligado, ele aprende qual endereço MAC está associado a determinada porta. Assim, quando uma máquina transmite um quadro com um dado endereço MAC de destino, o Switch envia o quadro apenas para a porta específica.

Este comportamento isola as máquinas em diferentes domínios de colisão. Com esta flexibilidade, o Switch diminui significativamente o número de colisões da rede, aumentando o seu desempenho.

10. Descreva o propósito dos campos do quadro Ethernet.

Preâmbulo (8 bytes)

Tem a função de sincronizar o relógio do remetente com o relógio da placa de rede do destinatário. Ele utiliza os primeiros 7 bytes no formato 10101010 e o último byte no formato 10101011. O preâmbulo é um mecanismo para "acordar" a placa de rede, indicando que dados estão chegando.

Endereço de Destino e de Origem (6 bytes cada)

São utilizados para identificar cada placa de rede individualmente. Estes endereços são chamados de endereços MAC e seguem a notação hexadecimal.

Tipo (2 bytes)

Serve para indicar qual protocolo está sendo transportado pelo quadro Ethernet. Na maioria das vezes, transporta um pacote IP, mas pode transportar outros protocolos (ex: Appletalk ou Novell IPX), além de mensagens e respostas do protocolo ARP.

Dados

É o campo que efetivamente transporta o pacote IP entre as extremidades do enlace. O tamanho máximo do campo de dados (Maximum Transmission Unit - MTU) do Ethernet é de 1500 Bytes. Portanto, pacotes IP não podem ter mais do que 1500 bytes se forem transmitidos pela tecnologia de enlace Ethernet.