Prof' Javier Caas

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2 capa Enlace de DatosArquitectura Y Conectividad

• Prof. Javier Cañas

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Temario

• Introducción La capa data link y sus
  funcionalidades.
• Links y nodos.
• Adaptadores de red.
• Encapsulamiento en tramas.
• Detección de errores.
• Protocolos de transmisión confiable.

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1 Introducción

• La red más simple es aquella en que los host
  están directamente conectados unos con otros, por
  cables de cobre o fibra óptica.
• La red más simple es aquella que cuenta con 2
  nodos

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Introducción

• Cómo se conectan 2 nodos?
• No basta disponer de un medio físico, hay varios
  aspectos que resolver
• Codificar bits
• Delimitar los bits trasmitidos en frames o
  tramas
• Detectar errores que se puedan producir en la
  transmisión
• Presentar un link confiable, a pesar de errores.
  Asegurar que un frame transmitido llegue a
  destino.

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2 Links y Nodos

• Una red se construye con dos bloques links y
  nodos.
• Un nodo es cualquier hardware que cuente con CPU
  desde un complejo multiprocesador hasta un
  switch.
• La estructura final del hardware de un nodo, está
  determinada por la relación costo/desempeño.

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Nodos

• Un nodo se conecta a una red a través de un
  adaptador de red.
• El adaptador se conecta al bus de I/O y está
  encargado de mover datos entre la memoria del
  nodo y el link.
• El sistema operativo maneja al adaptador a través
  de un driver.

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Nodos

• Arquitectura simplificada de una estación de
  trabajo

CPU
A la red
Adaptador de Red
Caché
Memoria
Bus I/O
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Links

• Un link puede ser cualquier medio sobre el cual
  se propaguen señales.
• Los datos binarios son codificados en señales.
• Las señales son ondas electromagnéticas que se
  propagan a la velocidad de la luz.
• Una señal tiene dos propiedades importantes
  frecuencia (Hz) y longitud de onda (mts).

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Links

• Se denomina eficiencia espectral al número de bit
  por Hz.
• Otro atributo importante de los links es el
  número de flujos que se pueden codificar al mismo
  tiempo.
• Si simultáneamente el link soporta dos flujos, se
  dice full-duplex.

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Links

• Los Links pueden ser de cobre, fibra óptica e
  inalámbricos.
• Cables
• Distancias cortas Cat-5 es lo que se impone.
• Distancias largas
• Cobre DS1, DS3
• Fibra STS-1, STS-3, STS-12, STS-24 y STS-48
• Última milla ISDN, xDSL, CATV, POTS

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3 Adaptadores de Red

• La funcionalidad de la Capa de Enlace de Datos es
  provista mayoritariamente por el adaptador de
  red.
• El adaptador de red contiene un elemento de
  señalización en su etapa de salida que convierte
  bits en señales.
• La siguiente figura muestra los componentes de un
  enlace de datos

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Adaptadores de Red
Nodo
Nodo
señales
Adaptador
Adaptador
bits
Componente de señalización
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4 Encapsulamiento en Tramas

• Nuestro interés son las redes de packet
  switching los nodos intercambian bloques de
  datos.
• En la capa de enlace de datos, un bloque de datos
  se denomina frame o trama.
• Es el adaptador de red el que permite el
  intercambio de frames. El adaptador toma un
  bloque de datos de la memoria, lo convierte en
  frame y lo transmite.

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Frames
Nodo
Nodo
señales
Adaptador
Adaptador
bits
Frames
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Frames

• Un frame necesita delimitadores. La forma más
  común es utilizar centinelas.
• Un centinela es una secuencia de bits al
  principio y al final del frame.
• La siguiente transparencia muestra dos
  estructuras de frames pertenecientes a conocidos
  protocolos PPP (point to point protocol) y
  Ethernet.

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Frames
Formato PPP
8b
16b
Dirección
Carga útil
Checksum
Formato Eth
64b
48b
48b
Preámbulo
Direc. Dest
Carga útil
Direc. Fuente
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5 Detección de errores

• Es posible que se introduzcan errores de bits en
  los frames. Por ejemplo por interferencias
  eléctricas o ruido térmico.
• Estos errores son generalmente escasos, pero es
  necesario disponer de un mecanismo para
  detectarlos. Si se detecta un error es posible
  pedir retransmisión del frame completo.

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Código de Redundancia Cíclica (CRC)

• La idea de la detección de errores se basa en
  proporcionar suficiente información redundante al
  frame. Por ejemplo, en un caso extremo transmitir
  dos copias del mismo frame.
• CRC introduce sólo 32 bits redundantes en
  alrededor de 12000 bits. Estos bits se generan
  mediante un algoritmo.

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CRC

• El nodo que envía aplica el algoritmo CRC al
  mensaje y genera 32 bits redundantes.
• El nodo que recibe el frame aplica el mismo
  algoritmo a los datos y verifica si coincide con
  los bits redundantes.
• El algoritmo CRC es muy barato implementarlo en
  hardware y es parte integral del adaptador.

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CRC

• El algoritmo CRC se basa en retardos y
  operaciones OR exclusivo.
• Las capas superiores utilizan otros algoritmos.
  En particular la arquitectura TCP/IP utiliza un
  algoritmo llamado Checksum que se basa en sumas
  aritméticas. No es tan robusto como CRC pero es
  más fácil implementarlo en software.

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6 Transmisión Confiable

• La principal funcionalidad de la capa de enlace
  de datos es presentar a las capas superiores un
  canal de datos libre de errores.
• Se puede lograr un canal libre de errores a
  través de dos mecanismos
• Reconocimientos positivos (ACK)
• Expiración de tiempo (timeout)

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Protocolos ARQ

• Los protocolos basados en timeout y ACK se
  denominan ARQ (automatic repet request).
• La siguiente transparencia muestra a través de
  diagramas de líneas de tiempo diversos escenarios

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Protocolos ARQ
frame
frame
timeout
timeout
ACK
frame
timeout
ACK
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Protocolos ARQ
frame
timeout
ACK
frame
Se genera un duplicado del frame
timeout
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Protocolo ARQ

• Para solucionar la generación de duplicados por
  pérdida del ACK se introduce un bit de
  numeración.
• El protocolo ARQ más simple es el llamado stop
  wait después de transmitir un frame, en nodo
  que envía espera ACK antes de transmitir el
  siguiente.

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Protocolo Stop Wait
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Stop Wait

• La dificultad del protocolo Stop Wait es que
  sólo un frame ocupa el link al mismo tiempo. Esto
  significa que puede estar muy bajo su capacidad
  perdiéndose inútilmente ancho de banda.
• Esta pérdida de capacidad pude ser muy alta en
  links que cubren grandes distancias por su
  elevado retardo.

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Protocolo de Ventana Deslizante
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Ventana deslizante transmisor

• Transmisor
• 1) Se asigna un número de secuencia a cada frame
  NumSec
• 2) Se mantienen 3 variables
• TVT Tamaño ventana transmisor (número máximo
  de frames que el transmisor puede transmitir)
• URR Número de secuencia que indica el último
  Reconocimiento Recibido
• UFT Número de secuencia del último frame
  transmitido

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Ventana transmisor
ltTVT
URR
UFT
Invariante para el transmisor UFT - URR lt TVT
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Acciones del transmisor

• Cuando llega un ACK, el transmisor mueve URR a la
  derecha permitiendo transmitir un nuevo frame
• El Transmisor también asocia un timer a cada
  frame. En la ventana de transmisión se mantienen
  los frames transmitidos en un buffer a la espera
  de reconocimiento

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El Receptor

• Receptor
• mantiene 3 variables
• TVR Tamaño ventana receptor (mantiene la cota
  máxima de frames fuera de orden que se espera
  recibir)
• UFA Número de secuencia del último frame
  aceptable
• SFE Número de secuencia del siguiente frame
  esperado

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Ventana Receptor
ltTVR
SFE
UFA
Invariante para el receptor UFA - SFE 1 lt TVR
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Algoritmo Receptor

• Al llegar un frame, el receptor toma la siguiente
  acción
• if(SFE gt NumSec gt UFA)
• El frame se descarta por estar fuera de la
  ventana
• if(SFE lt NumSec lt UFA)
• Se acepta

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FIN

• La Capa de Enlace de Datos