Capítulo 5 Capa de enlace y LANs Capa de enlace

Capítulo 5
Capa de enlace y LANs
5: DataLink Layer
5-1
Capítulo 5: La capa de enlace de
datos
Objetivos:
ˆ Entender los principios detrás de los servicios
de la capa de enlace de datos:




Detección de errores, correción
Compartir un canal broadcast: acceso múltiple
Direccionamiento de capa de enlace
Transferencia confiable, control de flujo
ˆ Implementación de varias tecnologías de capa
de enlace
5: DataLink Layer
5-2
Capa de enlace
ˆ 5.1 Introducción y
ˆ 5.6 Switches de capa de
ˆ
ˆ 5.7 PPP
ˆ
ˆ
ˆ
servicios
5.2 Detección y
corrección de errores
5.3 Protocolos de
acceso Múltiple
5.4 Direccionamiento
de Capa de Enlace
5.5 Ethernet
enlace
ˆ 5.8 Virtualización de
enlaces: ATM, MPLS
5: DataLink Layer
5-3
1
Capa de enlace: Introducción
Algo de terminología:
ˆ hosts y ruteadores son nodos
ˆ Canales de comunicación que
conectan nodos adyacentes a
través de caminos de
comunicación son links



Enlaces cableados
Enlaces inalámbricos
LANs
ˆ El PDU de capa 2 es el frame,
que encapsula un datagrama
La capa de enlace de datos tiene la responsabilidad de
transferir datagramas desde un nodo a otro nodo
adyacente,
a través de un link
5: DataLink Layer
5-4
Capa de enlace: contexto
ˆ Los datagramas son
transferidos por diferentes
protocolos de enlace sobre
diferentes enlaces:

Ejemplo, Ethernet en el
primer enlace, Frame relay en
los enlaces intermedios, ,
802.11 en el último enlace link
ˆ Cada protocolo de enlace
brinda diferentes servicios

ejemplo., puede o no proveer
rdt (reliable data transfer)
sobre el enlace
Analogía transorte
ˆ Viaje desde Princeton a
Lausanne
 limosina: Princeton a JFK
 avión: JFK a Geneva
 tren: Geneva a Lausanne
ˆ turista = datagrama
ˆ Segmento de la transportación
= enlace de comunicación
ˆ Modo de transporte =
ˆ
protocolo de capa de
enlace
Agencia de viaje = algoritmo
de enrutamiento
5: DataLink Layer
5-5
Servicios de Capa de enlace
ˆ
Entramado (framing), link access:



ˆ
Encapsulado del datagrama dentro del frame, añadiendo
encabezado (header) y cola (trailer)
Acceso al canal si es um medio compartido
Direcciones “MAC” en el encabezado del frame para
identificar la fuente y el destino
• Diferente de la dirección IP!
Entrega confiable entre nodos adyacentes


Rara vez utilizado en enlaces de pocos errores (fibra
óptica, algunos pares trenzados)
Enlaces inalámbricos: alta tasa de errores
• Q: Por qué confiabilidad a nivel de enlace y end-end?
5: DataLink Layer
5-6
2
Servicios de la capa de enlace
(más)
ˆ
flow control:
ˆ
Detección de error :



Acuerdo entre los nodos adyacentes emisor y receptor
Errores causado por la atenuación de la señal, ruido.
El receptor detecta la presencia de errores:
• Señaliza al transmisor para una retransmisión o
descarta la trama
ˆ Corrección de error:

ˆ
El receptor identifica y corrige el/los error/es en bit/s
sin necesidad de retransmisión
half-duplex y full-duplex

Con half duplex, los nodos en los extremos del enlace
pueden transmitir, pero no al mismo tiempo
5: DataLink Layer
5-7
Donde está implementada la capa de
enlace?
ˆ En todos los hosts
ˆ En el adaptador (
network interface card
NIC)

Tarjeta Ethernet, tarjeta
PCMCI card, tarjeta
802.11
host schematic
application
transport
network
link
cpu
memory
host
bus
(e.g., PCI)
controller
ˆ Incorporada a los buses
link
physical
del sistema de los hosts
ˆ Combinación de
hardware, software,
firmware
physical
transmission
network adapter
card
5: DataLink Layer
5-8
Comunicación de adaptadores
datagram
datagram
controller
controller
receiving host
sending host
datagram
frame
ˆ Lado emisor:
ˆ Lado receptor
 Encapsula el datagrama en
 Busca errores, rdt, flow
frames
control, etc
 Agrega bits de chequeo
 Extrae el datagrama y lo
de error, rdt, flow
pasa a las capas
control, etc.
superiores en el lado
receptor
5: DataLink Layer
5-9
3
Capa de enlace
ˆ 5.1 Introducción y
ˆ 5.6 Switches de capa de
ˆ
ˆ 5.7 PPP
ˆ
ˆ
ˆ
servicios
5.2 Detección y
corrección de errores
5.3 Protocolos de
acceso Múltiple
5.4 Direccionamiento
de Capa de Enlace
5.5 Ethernet
enlace
ˆ 5.8 Virtualización de
enlaces: ATM, MPLS
5: DataLink Layer
5-10
Detección de errores
EDC= Error Detection and Correction bits (redundancia)
D = Datos protegidos por chequeo de errores, puede incluir campos del
encabezado
• La detección de errores no es 100% confiable!
• el protocolo puede perder algunos errores, pero ocurre rara vez
• campos EDC largos proporciona mejor detección y corrección
otherwise
5: DataLink Layer
5-11
Chequeo de paridad
Paridad de un solo
Bit :
Paridad de bit en dos dimensiones:
Detect and correct single bit errors
Detecta errores de un
solo bit, paridad impar
0
0
5: DataLink Layer
5-12
4
Internet checksum (suma de
comprobación)
Objetivo: detectar “errores” (ejemplo, bits
cambiados) en el paquete transmtido (nota: utilizado
solamente en la capa de transporte)
Receptor:
Transmisor:
ˆ Trata al contenido del
segmento com una
secuencia de 16-bit
enteros
ˆ checksum: suma (1’s
complemento suma) el
contenido del segmento
ˆ Transmisor pone el valor
del checksum dentro del
campo checksum UDP
ˆ Computa el checksum del
segmento recibido
ˆ Revisa si el checksum
calculado es igual al valor en
el campo checksum:
 NO – error detectado
 YES – error no detectado.
Pero sin embargo puede
haber errores?
5: DataLink Layer
5-13
Checksumming: Cyclic Redundancy Check
ˆ Vista de los bits de datos, D, como un numero binario
ˆ Escoger patrón de r+1 bit (generador), G
ˆ objetivo: escoger r CRC bits, R, de tal manera



<D,R> sea exactamente divisible para G (modulo 2)
Receptor conoce G, divide <D,R> para G. Si el residuo no es
cero: error detectado!
Puede detectar todas las ráfagas de errores menores de r+1
bits
ˆ En la práctica muy usado (Ethernet, 802.11 WiFi, ATM)
5: DataLink Layer
5-14
CRC
ˆ El objetivo es que T/G no tenga residuo.
ˆ Es claro que:
T = 2rD ⊕ (xor) R
 2rD desplaza el mensaje a la izquierda y lo
rellena de r ceros (0).
2r D entre G:
ˆ Dividir
2rD/G= Q
Con Residuo R
ˆ la suma modulo 2 basada en la operación OR-
exclusivo:
0 ⊕ 0 = 0 0 ⊕ 1 = 1 1 ⊕ 0 = 1 1 ⊕ 1 = 0.
ˆ Entonces, dividir 2rD entre G y usar el residuo
como el CRC.
5: DataLink Layer
5-15
5
CRC
ˆ Transmisor: Mensaje 10011010 Generador 1101
Mensaje
Generador
10011010000 1101
1101
11111001
1001
1101
1000
1101
1011
1101
1100
1101
1000
1101
101
Residuo
5: DataLink Layer
5-16
CRC
ˆ Receptor:
Mensaje
 Divide lo recibido para
generador
 Residuo debe ser 0; de
otra manera, hubo error
en transmisión
Generador
10011010101 1101
1101
11111001
1001
1101
1000
1101
1011
1101
1100
1101
1101
1101
0
Residuo
5: DataLink Layer
5-17
Capa de enlace
ˆ 5.1 Introducción y
ˆ 5.6 Switches de capa de
ˆ
ˆ 5.7 PPP
ˆ
ˆ
ˆ
servicios
5.2 Detección y
corrección de errores
5.3 Protocolos de
acceso Múltiple
5.4 Direccionamiento
de Capa de Enlace
5.5 Ethernet
enlace
ˆ 5.8 Virtualización de
enlaces: ATM, MPLS
5: DataLink Layer
5-18
6
Protocolos y enlaces de acceso múltiple
Dos tipos de “enlaces”:
ˆ Punto a punto
 PPP para acceso dial-up
 Enlace punto a punto entre Ethernet switch y host
ˆ broadcast (cable o medio compartido)
 old-fashioned Ethernet
 HFC: Hybrid Fiber Cable
 802.11 LAN inalámbrica
Cable compartido (e.g.,
cable Ethernet)
RF compartido
(e.g., 802.11 WiFi)
Personas en una fiesta
RF compartido (aire compartido, acoustical)
(satellite)
5: DataLink Layer
5-19
Protocolos de acceso Múltiple
ˆ Unico canal broadcast compartido
ˆ Dos o más transmisiones simúltaneas: interferencia
 colisión si un nodo recibe dos o más señales al mismo tiempo
Protocolo de acceso multiple
ˆ Algoritmo distribuído que determina cómo los nodos
comparten el canal, y determina cuando el nodo puede
transmitir
ˆ La comunicación acerca de compartir el canal debe
utilizar el mismo canal!

No canal out-of-band para coordinación
5: DataLink Layer
5-20
Protocolo de acceso múltiple ideal
Canal Broadcast con velocidad R bps
1. Cuando un nodo quiere transmitir, lo hará a una
velocidad R.
2. Cuando M nodos quieren transmitir, cada uno
enviará a una velocidad promedio R/M
3. Totalmente descentralizado:


No hay un nodo especial para coordinar las transmisiones
No hay sincronización de relojes, slots
4. simple
5: DataLink Layer
5-21
7
Protocolos MAC : taxonomía
Tres grandes clases:
ˆ Canal particionado


divide al canal en “piezas” pequeñas (time slots,
frecuencia, código)
Asigna una pieza a un nodo para su uso exclusivo
ˆ Acceso randómico
 Canal no dividido, permite colisiones
 “recuperación” de las colisiones
ˆ “Toma turnos”
 Los nodos toman turnos, pero los nodos con más tramas
(frames) para enviar podrían tomar turnos más largos
5: DataLink Layer
5-22
Protocolos MAC de canal particionando
:TDMA
TDMA: time division multiple access
ˆ Acceso al canal en "rondas"
ˆ Cada estación tiene un slot de longitud fija (longitud =
tiempo de transmisión de la trama) en cada ronda
ˆ Los slots sin usar quedan libres
ˆ ejemplo: Lan con 6-estaciones, 1,3,4 tienen paquetes, slots
2,5,6 quedan libres
6-slot
frame
1
3
4
1
3
4
5: DataLink Layer
5-23
Protocolos MAC de canal particionado:
FDMA
FDMA: frequency division multiple access
ˆ El espectro del canal se divide en bandas de frecuencia
ˆ A cada estación se le asigna una banda de frecuencia fija
ˆ El tiempo de transmisión no utilizado en las bandas de frecuencia
queda libre
ˆ ejemplo: LAN con 6-estaciones 1,3,4 tienen paquetes, las bandas
de frecuencias 2,5,6 están libres
FDM cable
frequency bands
time
5: DataLink Layer
5-24
8
Protocolos de acceso randómico
ˆ Cuando un nodo tiene un paquete para enviar
 Transmite a la velocidad total del canal R.
 No existe “a priori “ coordinación entre nodos
ˆ Dos o más nodos transmitiendo ➜ “colisión”,
ˆ Protocolo MAC de acceso randómico especifican:
 Cómo detectar colisiones
 Cómo recuperarse de las colisiones (ejemplo, a través de
retransmisiones retrasadas)
ˆ Ejemplos de protocolos MAC de acceso randómico:
 ALOHA ranurado, ALOHA
 CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA
5: DataLink Layer
5-25
ALOHA ranurado
Hipótesis:
ˆ Todas las tramas del mismo
tamaño
ˆ El tiempo está dividido en
slots de igual tamaño (
tiempo para transmitir 1
trama)
ˆ Los nodos comienzan a
transmitir solo al comienzo
de cada slot
ˆ Los nodos están
sincronizados (saben cuando
comienza cada slot)
ˆ si 2 o más nodos transmiten
en un slot, todos los nodos
detectan la colisión antes
que termine el slot
Operación:
ˆ Cuando un nodo obtiene una
trama nueva , transmite en el
siguiente slot
 Si no hay colisión: el nodo
puede enviar una nueva
trama en el siguiente slot
 Si hay colisión: el nodo
retransmite la trama en
cada slot subsiguiente con
probabilidad p hasta que
tenga exito
5: DataLink Layer
5-26
ALOHA ranurado
Ventajas
ˆ Un único nodo activo (con
tramas para enviar) puede
transmitir continuamente a
la velocidad máxima del
canal R
ˆ Altamente descentralizado:
sólo los slots necesitan
estar sincronizados, cada
nodo decide por si mismos
ˆ simple
Desventajas
ˆ Colisiones, desperdicio de
slots
ˆ Slots vacíos
ˆ Los nodos deberían ser
capaces de detectar
colisiones en un tiempo
menor al tiempo de
transmisión del paquete
ˆ Sincronización de reloj
5: DataLink Layer
5-27
9
Eficiencia ALOHA ranurado
Eficiencia : Fracción de
slots exitosos en un tiempo
largo, con muchos nodos y
todos con muchas tramas
para enviar
supuesto: N nodos con varias
tramas (nuevas y viejas) para
enviar, cada uno transmite en
un slot con probabilidad p
ˆ Probabilidad que un nodo dado
tenga éxito en un slot= p(1p)N-1
ˆ Probabilidad de que un nodo
arbitrario tenga éxito en un
slot= Np(1-p)N-1
ˆ
ˆ Máx eficiencia: encontrar
p* que maximize
Np(1-p)N-1
ˆ Para algunos nodos, tome el
limite de Np*(1-p*)N-1
cuandos N tiende a infinito,
nos da :
Max eficiencia = 1/e = .37
Lo mejor posible:
canal utilizado
exitosamente el
37% del tiempo!
5: DataLink Layer
!
5-28
ALOHA puro (no ranurado)
ˆ Aloha sin slots: más simple, sin sincronización
ˆ Cuando la primera trama llega
 transmite inmediatamente
ˆ La probabilidad de colisión se incrementa:
 La trama enviada en t0 colisiona con otras tramas enviadas en
[t0-1,t0+1]
5: DataLink Layer
5-29
Eficiencia del Aloha puro
P(éxito para un nodo dado) = P(nodo transmita) .
P(otros nodos no transmitan en [t0-1,t0] .
P(otros nodos no transmitan en [t0,t0 +1]
= p . (1-p)N-1 . (1-p)N-1
= p . (1-p)2(N-1)
… calculando el p optimo y luego con N -> infinito ...
Eficiencia máxima = 1/(2e) = .18
Aún peor que el Aloha ranurado!
5: DataLink Layer
5-30
10
CSMA (Carrier Sense Multiple Access)
CSMA: escuchar antes de transmitir:
Si el canal esta libre: transmitir la trama entera
ˆ Si el canal sensado está ocupado, diferir la transmisión
ˆ Analogía humana: ¡no interrumpir a los otros!
Colisiones CSMA
5: DataLink Layer
5-31
5: DataLink Layer
5-32
spatial layout of nodes
Las colisiones pueden aún
ocurrir:
El retardo de propagación
tiene como consecuencia que
dos nodos puedan no oir la
transmisión del otro
colisión:
El tiempo completo de la
transmisión de la trama se
desperdicia
nota:
El rol de la distancia & el retardo
de propagación para inferir la
probabilidad de colisión
CSMA/CD (Collision Detection)
CSMA/CD: si hay presencia de portadora se difiere la
transmisión , como en CSMA


Colisiones detectadas dentro de un corto tiempo
Las transmisiones que colisionan son abortadas, reduciendo el
desperdicio de canal
ˆ Detección de colisión:
 Fácil en LANs alambradas: medición de la señal potencia,
comparar señales transmitidas y recibidas
 Dificultad en LANs inalámbricas: potencia de señal recibida
abrumada por la potencia de la transmisión local.
ˆ Analogía humana: el conversador educado
5: DataLink Layer
5-33
11
CSMA/CD collision detection
5: DataLink Layer
5-34
“Tomando turnos” protocolos MAC
Protocolos MAC canal particionado:
 Eficiencia de canal compartido e imparcialidad
en cargas altas
 Ineficiente a cargas bajas: retardo en acceso al
canal, 1/N ancho de banda asignado incluso si
unicamente hay 1 nodo activo!
Protocolos MAC de acceso randómico
 Eficiente a cargas bajas: un solo nodo puede
utilizar totalmente el canal
 Carga alta: sobre carga por colisión
Protocolos “tomando turnos” protocols
Busca lo mejor de los dos mundos!
5: DataLink Layer
5-35
Protocolos MAC ”Tomando Turnos”
Polling:
ˆ El nodo master
“invita” a los nodos
esclavo (slaves) a
transmitir en turnos
ˆ Tipicamente
utilizado con
dispositivos slaves
“tontos”
ˆ preocupaciones:



overhead por polling
latencia
Único punto de falla
(master)
data
poll
master
data
slaves
5: DataLink Layer
5-36
12
MAC protocolos “Tomando turnos”
Token passing:
ˆ Token mensaje de
control pasado de un
nodo a otro
secuencialmente.
ˆ No existe master
ˆ Preocupaciones:



T
(nada para
enviar)
T
Overhead por el token
latencia
Unico punto de falla
(token)
data
5: DataLink Layer
5-37
Resumen de protocolos MAC
ˆ Canal particionado, en tiempo, frecuencia
 Time Division, Frequency Division
ˆ Acceso Randómico (dinámico),
 ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD
 Escucha la portadora: fácil en algunas
tecnologías (cableada), difícil en otros
(inalámbrico)
 CSMA/CD usado en Ethernet
 CSMA/CA usado en 802.11
ˆ Tomando turnos
 polling desde un sitio central, token passing
 Bluetooth, FDDI, IBM Token Ring
5: DataLink Layer
5-38
Capa de enlace
ˆ 5.1 Introducción y
ˆ 5.6 Switches de capa de
ˆ
ˆ 5.7 PPP
ˆ
ˆ
ˆ
servicios
5.2 Detección y
corrección de errores
5.3 Protocolos de
acceso Múltiple
5.4 Direccionamiento
de Capa de Enlace
5.5 Ethernet
enlace
ˆ 5.8 Virtualización de
enlaces: ATM, MPLS
5: DataLink Layer
5-39
13
Direcciones MAC y ARP
ˆ Dirección IP 32-bit:


Dirección de capa de red
Usado para que el datagrama llegue a su destino en una
subnet IP
ˆ Dirección MAC (o LAN o física o Ethernet):

funcion: llevar la trama dese una interface a otra interface

Dirección MAC de 48 bit (para la mayoría de LANs)
conectada físicamente a la misma red
• quemada en la ROM de la NIC, también algunas veces
configurable por software
5: DataLink Layer
5-40
Dirección LAN y ARP
Cada adaptador en la LAN tiene una única dirección LAN
1A-2F-BB-76-09-AD
71-65-F7-2B-08-53
LAN
(cableado e
inalámbrico)
Dirección Broadcast =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
= adaptador
58-23-D7-FA-20-B0
0C-C4-11-6F-E3-98
5: DataLink Layer
5-41
Direcciones LAN (más)
ˆ Direcciones MAC asignación administrada por la
IEEE
ˆ Los fabricantes compran una porción del espacio
de direcciones MAC (para asegurar irrepetibilidad)
ˆ analogía:
(a) Dirección MAC : como el número de cédula
de identidad
(b) Dirección IP: como la dirección postarl
ˆ Direcciones MAC planas ➜ portabilidad
 Puede moverse una tarjeta LAN de una LAN a otra
ˆ Direcciones IP son jerárquicas y NO portables
 direcciones depende de la subnet IP a la cual el nodo
esta conectada
5: DataLink Layer
5-42
14
ARP: Address Resolution Protocol
ˆ Cada nodo IP (host,
Pregunta: como determinar
La dirección MAC de B
Conociendo su dirección IP?
137.196.7.78
1A-2F-BB-76-09-AD
137.196.7.23
137.196.7.14
router) en una LAN
tiene una tabla ARP
ˆ Tabla ARP :
correspondencia de
direcciones IP/MAC
para algunos nodos de la
LAN
< dirección IP ; dirección MAC;
TTL>
LAN
71-65-F7-2B-08-53
137.196.7.88

58-23-D7-FA-20-B0
0C-C4-11-6F-E3-98
TTL (Time To Live):
tiempo después del cual
la dirección mapeada será
olvidad (típicamente 20
min)
5: DataLink Layer
5-43
Protocolo ARP: La misma LAN
(network)
ˆ A quiere envier un datagrama
a B, y la dirección MAC de B
no esta en la tabla ARP de A.
ˆ Un paquete de consulta ARP
broadcasts conteniendo la
dirección IP de B es enviado
 Dirección destino MAC =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
 Todas las máquinas en la
LAN reciben la consulta
ARP
ˆ B recibe el paquete ARP,
contesta a A con su dirección
MAC
 La trama es enviada a la
dirección MAC de A
(unicast)
ˆ A cachea (guarda) el mapeo de
direccioes IP-to-MAC en
parejas en su direcci tabla
ARP hasta que la información
se convierta en vieja (times
out)
 soft state: la information
vieja expira a menos que
sea actualizada
(refrescada)
ˆ ARP es “plug-and-play”:

Los nodos crean sus tablas
ARP sin intervención del
administrador de red
5: DataLink Layer
5-44
Direccionamiento: enrutamiento a
otra LAN
Escenario: envío de un datagrama desde A a B via R,
asuma que A conoce la dirección IP de B
88-B2-2F-54-1A-0F
74-29-9C-E8-FF-55
A
111.111.111.111
E6-E9-00-17-BB-4B
1A-23-F9-CD-06-9B
222.222.222.220
111.111.111.110
111.111.111.112
R
222.222.222.221
222.222.222.222
B
49-BD-D2-C7-56-2A
CC-49-DE-D0-AB-7D
ˆ 2 tablas ARP en el router R, una para cada red IP
(LAN)
5: DataLink Layer
5-45
15
ˆ A crea un datagrama IP con origen A, destino B
ˆ A usa ARP para obtener la dirección MAC de R para 111.111.111.110
A crea una trama de enlace de datos con la dirección MAC de R
como destino, la trama conitene un datagrama IP A-to-B
La NIC de A envía la trama
La NIC de R recibe la trama
R remueve el datagrama IP de la trama Ethernet, mira si esta
destinado para B
R usa ARP para obtener la dirección MAC de B
R crea una trama que contiene el datagrama IP A-to-B y lo envía a B
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
88-B2-2F-54-1A-0F
74-29-9C-E8-FF-55
A
E6-E9-00-17-BB-4B
222.222.222.221
1A-23-F9-CD-06-9B
111.111.111.111
222.222.222.220
111.111.111.110
111.111.111.112
R
222.222.222.222
B
49-BD-D2-C7-56-2A
CC-49-DE-D0-AB-7D
5: DataLink Layer
5-46
Capa de enlace
ˆ 5.1 Introducción y
ˆ 5.6 Switches de capa de
ˆ
ˆ 5.7 PPP
ˆ
ˆ
ˆ
servicios
5.2 Detección y
corrección de errores
5.3 Protocolos de
acceso Múltiple
5.4 Direccionamiento
de Capa de Enlace
5.5 Ethernet
enlace
ˆ 5.8 Virtualización de
enlaces: ATM, MPLS
5: DataLink Layer
5-47
Ethernet
Tecnología LAN alambrada “dominante” :
ˆ barata $20 por NIC
ˆ Tecnología LAN usada primero ampliamente
ˆ simple, barata comparada con LANs token y
ATM
ˆ Se ha mantenido con velocidades: 10 Mbps – 10
Gbps
Bosquejo de la
Ethernet de Metcalfe
5: DataLink Layer
5-48
16
Topología estrella
ˆ Topología de bus muy popular a mediados de lo 90s
 Todos los nodos están en el mismo dominio de colisión
(pueden colisionar con cualquier otro)
ˆ Hoy: prevalece la topología estrella
 Un switch activo en el centro
 Cada “spoke” core un protocolo Ethernet (separado) Los
nodos no colisionan unos con otros
switch
bus: coaxial cable
star
5: DataLink Layer
5-49
Estructura de la trama
Ethernet
El adaptador transmisor encapsula el datagrama IP (u
otro paquete de otro protocolo de red) en una
trama Ethernet
Preambulo:
ˆ 7 bytes con un patrón 10101010 seguidos por un
byte con el patrón 10101011
ˆ usado para sincronización con el receptor,
velocidad del reloj de transmisor
5: DataLink Layer
5-50
Estructura de la trama Ethernet
(más)
ˆ Direcciones: 6 bytes
 Si el adaptador receptor recibe una trama que concuerde
con la driección destino o con dirección broadcast
(ejemplo paquete ARP), el pasa el dato del frame al
protocolo de capa de red
 De otra manera, el adaptador descarta la trama
ˆ Tipo: indica el protocolo de capa superior
(mayormente IP pero puede haber otras opciones
como Novell IPX, AppleTalk)
ˆ CRC: Revisado en el receptor, si un error es
detectado, la trama es descartada
5: DataLink Layer
5-51
17
Ethernet: no confiabe, no orientado a
la conexión
ˆ No orientado a la conexión (connectionless): no hay
handshaking entre las NICs del transmisor y el
receptor
ˆ No confiabler (unreliable): La NIC del receptor no
envía acks o nacks a la NIC transmisor



flujo de datagramas que pasan a la capa de red pueden tener
gaps (datagramas perdidos)
gaps serán llenados si la aplicación utiliza TCP
De otra forma la aplicación verá los gaps
ˆ Protocolo MAC Ethernet: sin ranuras CSMA/CD
5: DataLink Layer
5-52
Algoritmo Ethernet CSMA/CD
4. Si el NIC detecta otra
1. NIC recibe el datagrama
transmisión mientras
desde la capa de red , crea
estaba transmitiendo,
la trama
aborta y envía una señal de
2. Si la NIC sensa
jam
desocupado el canal, inicia
la transmisión del a trama 5. Después de abortar, el
NIC entra al algoritmo
si la NIC sensa el canal
exponential backoff:
ocupado, espera hasta que
despué de la colisión mth,
el canal se desocupe y
luego transmite
el NIC escoje
randomicamente K de
3. Si el NIC transmite toda
{0,1,2,…,2m-1}. NIC espera
la trama sin detectar otra
K·512 bit times, regresa al
transmisión, el NIC tuvo
paso 2
exito!
5: DataLink Layer 5-53
Ethernet’s CSMA/CD (más)
Señal Jam: asegura que todos Exponential Backoff:
los transmisores están
ˆ Objetivo: adaptar los
enterados de la colisión; 48
intentos de retransmisione a
bits
un estimado de carga actual
Bit time: .1 microsegundo para
 Carga pesada: espera
Ethernet de 10 Mbps
randomica será larga
Ethernet ;
ˆ Primera colisión: escoje un K
para K=1023, tiempo de
entre {0,1}; retardo es is K·
espera es 50 msec
512 bit transmission times
ˆ Despúes de la segunda
colisión: escojerá K entre
{0,1,2,3}…
ˆ Luego de 10 colisiones, se
escojerá a K entre
(0,1,2,3,4,…,1023}
5: DataLink Layer
5-54
18
Eficiencia CSMA/CD
ˆ Tprop = máximo retardo de propagación entre dos
nodos de la LAN
ˆ ttrans = tiempo para transmitir una tram de tamaño
máximo
efficiency =
1
1 + 5t prop /t trans
ˆ eficiencia se acerca a 1
 cuando tprop se acerca a 0
 cuando ttrans se acerca a infinito
ˆ Mejor desempeño que ALOHA: y además simple,
barato y descentralizado!
5: DataLink Layer
5-55
802.3 Ethernet Standards: Capas enlace & física
ˆ
algunos diferentes estandares Ethernet



En común el protocolo MAC y el formato de la trama
Velocidades diferentes: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps,
1Gbps, 10G bps
Medio de capa física diferente: fiber, cable
application
transport
network
link
physical
MAC protocol
and frame format
100BASE-TX
100BASE-T2
100BASE-FX
100BASE-T4
100BASE-SX
100BASE-BX
copper (twister
pair) physical layer
fiber physical layer
5: DataLink Layer
5-56
Codificación Manchester
ˆ Usada en 10BaseT
ˆ Cada bit tiene una transición
ˆ Permite a los relojes en los nodos transmisor y
receptor sincronizarse con el otro

No necesita un reloj global centralizado entre los nodos!
5: DataLink Layer
5-57
19
Capa de enlace
ˆ 5.1 Introducción y
ˆ 5.6 Switches de capa de
ˆ
ˆ 5.7 PPP
ˆ
ˆ
ˆ
servicios
5.2 Detección y
corrección de errores
5.3 Protocolos de
acceso Múltiple
5.4 Direccionamiento
de Capa de Enlace
5.5 Ethernet
enlace
ˆ 5.8 Virtualización de
enlaces: ATM, MPLS
5: DataLink Layer
5-58
Hubs
… capa física (“tontos”) repetidores:
 Los bits entrantes por un enlace salen por todos
los otros enlaces a la misma velocidad
 Todos los nodos conectados a un hub pueden
colisionar con otro
 No hay buffering de trama
 No hay CSMA/CD en un hub: las NICs de los
hosts detectan las colisiones
twisted pair
hub
5: DataLink Layer
5-59
Switch
ˆ Dispositivo de capa de enlace: más listo que
un hub, toma rol activo
 guarda,
forward tramas Ethernet
las direcciones MAC de las tramas
entrantes, selectivamente forward la trama a
uno o algunos enlaces de salida cuando la trama es
entregada en un segmento usa CSMA/CD para
acceder al mismo
 Examina
ˆ transparente
 Los hosts desconecen la presencia de los
switches
ˆ plug-and-play, self-learning
5: DataLink Layer
 switches no necesitan de mayor configuración
5-60
20
Switch: permiete múltiples
transmisiones simultáneas
ˆ Los hosts tienen conexiones
directas dedicadas al switch
ˆ El switch hacen buffer de los
paquetes
ˆ Protocolo Ethernet es usado en
cada enlace de entrada, no hay
colisiones; full duplex

ˆ
C’
B
6
1
2
3
4
5
C
Cada enlace está en su propio
dominio de colisión
B’
switching: simultáneamente Ato-A’ y B-to-B’ , sin colisiones

A
No es posible con el hub tonto
A’
switch with six interfaces
(1,2,3,4,5,6)
5: DataLink Layer
5-61
Tabla del Switch
ˆ
P: Como el switch conoce que A’ es
alcanzable via interface 4, B’ es
alcanzable via interface 5?
ˆ R: cada switch tiene una tabla de
switch, en cada entrada:

A
C’
B
6
Dirección MAC del host, interface
para alcanzar al host, tiempo
1
2
3
4
5
ˆ Parecido a una tabla de
ˆ
C
enrutamiento!
P: como se crean las entradas, como
se mantienen en la tabla de switch?

B’
Algo parecido a los protocolos de
enrutamiento?
A’
switch with six interfaces
(1,2,3,4,5,6)
5: DataLink Layer
Switch: auto-aprendizaje
aprende cual
hosts puede ser
alcanzado a través de
cual interface
ˆ El switch


5-62
Source: A
Dest: A’
A A A’
C’
Cuando una trama es
recibida, el switch
“aprende” la localización
del transmisor: segmento
de LAN entrante
Graba la pareja
transmisor/localización en
la tabla de switch
B
6
5
2
3
4
C
B’
A’
MAC addr interface TTL
A
1
1
60
Tabla Switch
(inicialmente vacía)
5: DataLink Layer
5-63
21
Switch: filtro/entrega de trama
Cuando la trama es recibida:
1. Graba el enlace asociado con el host transmisor
2. Busca en la tabla de switch usando la dirección
destino MAC
3. if la entrada es encontrada para el destino
then {
if destino esta en el mimo segmento del cual la
trama arribo
then descarta la trama
else entregue la trama a la interface indicada
forward en todos menos en la interface
}
Por donde fue recibido
else inundar
5: DataLink Layer
Autoaprendizaje,
ejemplo de
forwarding:
5-64
Source: A
Dest: A’
A A A’
C’
B
ˆ Destino de la trama
no conocido: inundación
ˆ Localización conocida
para el destino A :
A6A’
1
2
3
4
5
C
A’ A
envío selecitivo
B’
A’
MAC addr interface TTL
A
A’
1
4
60 Tabla de Switch
60 (inicialmente vacío)
5: DataLink Layer
5-65
Red institucional
to external
network
mail server
router
web server
IP subnet
5: DataLink Layer
5-66
22
Switches vs. Routers
ˆ Ambos son dispositivos store-and-forward
 routers: dispositivos de capa de red (examina los headers
de capa de red)
 switches son dispositivos de capa de enlace
ˆ Los routers mantienen las tablas de enrutamiento,
implementan los algoritmos de enrutamiento
ˆ Los switches mantienen las tablas de switches,
implementa filtering, algoritmos de aprendizaje
5: DataLink Layer
5-67
5: DataLink Layer
5-68
5: DataLink Layer
5-69
A switch using VLAN software
Two switches in a backbone using VLAN software
23
Capa de enlace
ˆ 5.1 Introducción y
ˆ 5.6 Switches de capa de
ˆ
ˆ 5.7 PPP
ˆ
ˆ
ˆ
servicios
5.2 Detección y
corrección de errores
5.3 Protocolos de
acceso Múltiple
5.4 Direccionamiento
de Capa de Enlace
5.5 Ethernet
enlace
ˆ 5.8 Virtualización de
enlaces: ATM, MPLS
5: DataLink Layer
5-70
Control de Enlace de datos punto a
punto
ˆ Un transmisor, un receptor, un enlace: más fácil
que el enlace broadcast:
 no Media Access Control
 no necesita un direccionamiento MAC explícito
 ejemplo, enlace dialup, línea ISDN
ˆ Protocolos populares punto a punto de control de
enlace de datos:
 PPP (point-to-point protocol)
 HDLC: High level data link control
5: DataLink Layer
5-71
Requerimientos del diseño PPP [RFC
1557]
ˆ packet framing: encapsulación del datagrama de
ˆ
ˆ
ˆ
ˆ
capa de red en una trama de enlace de datos
 Lleva el dato de la capa de red de cualquier
protocolo de capa de red (no solamente IP) al
mismo tiempo
Transparencia de bit: deberá llevar algún patrón
de bit en el campo de datos
Detección de errores (no corrección)
connection liveness: detecta, falla en la señal de
enlace y le informa a la capa de red
Negociación de direccionamiento de capa de red:
endpoint puede aprender/configurar cada una de
las otras direcciones de red
5: DataLink Layer
5-72
24
PPP ( no-requerido)
ˆ no corrección de errores/recuperación
ˆ no control de flujo
ˆ Entrega fuera de orden OK
ˆ No necesidad de soportar enlaces multipuntos
(Ejemplo, polling)
Recuperación de errores, control de flujo, re-ordenamiento de
datos todo esto relegado a las capas superiores!
5: DataLink Layer
5-73
Trama de Datos PPP
ˆ Flag: delimitador (framing)
ˆ Address (dirección): solamente una opción, no
hace nada
ˆ Control: no hace nada; en el futuro posiblemente
múltples campos de control
ˆ Protocolo: protocolo de capa superior al cual la
trama es entregada(ejemplo, PPP-LCP, IP, IPCP,
etc)
5: DataLink Layer
5-74
Trama de datos PPP
ˆ info: dato de la capa superior que es llevado
ˆ check: para detección de error, cyclic redundancy
check
5: DataLink Layer
5-75
25
Byte Stuffing
ˆ requerimiento “transparencia de datos” : campo
de datos deberá permitirsele incluir el patrón de
flag <01111110>
 P: si se recibe <01111110> es dato o flag?
ˆ Transmisor: añade (“stuffs”) extra byte <
01111101> después de cada byte de dato <
01111110>
ˆ Receptor:
 Dos bytes 01111101 en una fila: descartar el
primer byte, continue la recepción de datos
 Solo 01111110: byte de flag
5: DataLink Layer
5-76
5: DataLink Layer
5-77
5: DataLink Layer
5-78
Byte Stuffing
flag byte
pattern
in data
to send
flag byte pattern plus
stuffed byte in
transmitted data
PPP Data Control Protocol
Antes del intercambio de datos
de la capa de red, los peers
de enlace de datos deben,
ˆ Configurar el enlace PPP
(longuitud max. de la trama,
autenticación)
ˆ Aprender/configurar la red
información de capa
 Para IP: carry IP Control
Protocol (IPCP) msgs
(protocol field: 8021)
para configurar/aprender
direcciones IP
26