A Camada de Enlace de Dados

1
A Camada de Enlace de Dados

• Objetivos
• Entender os princípios por trás dos serviços da
  camada de enlace de dados
• detecção e correção de erros
• compartilhamento de canal de difusão acesso
  múltiplo
• endereçamento da camada de enlace
• instanciação e implementação de diversas
  tecnologias de camada de enlace

2
Camada de Enlace Introdução

• Alguma terminologia
• hosts e roteadores são nós
• canais de comunicação que conectam nós adjacentes
  ao longo de um caminho de comunicação são
  enlaces/link
• enlaces cabeados
• enlaces sem fio (não cabeados)
• LANs
• Pacote da camada 2 é um quadro/frame, encapsula
  datagramas

a camada de enlace é responsável por transferir
os datagramas entre nós adjacentes através do
enlace
3
Camada de Enlace Contexto

• Datagrama é transferido por diferentes protocolos
  de enlace em diferentes enlaces
• Ex. Ethernet no primeiro enlace, frame relay em
  enlaces intermediários e 802.11 no último enlace
• Cada protocolo de enlace provê diferentes
  serviços
• ex. pode ou não prover transporte confiável de
  dados através do enlace

4
Protocolos da Camada de Enlace
5
Serviços da Camada de Enlace

• Enquadramento (Delimitação do quadro) e acesso ao
  enlace
• encapsula datagrama num quadro adicionando
  cabeçalho (header) e cauda (tail),
• implementa acesso ao canal se meio for
  compartilhado,
• endereços físicos (MAC) são usados nos
  cabeçalhos dos quadros para identificar origem e
  destino de quadros em enlaces multiponto
• Diferente do endereço IP!
• Entrega confiável entre nós adjacentes
• Raramente usada em canais com baixas taxas de
  erro (fibra óptica, alguns tipos de pares
  trançados)
• Canais sem fio altas taxas de erros

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Serviços da Camada de Enlace (mais)

• Controle de Fluxo
• compatibilizar taxas de produção e consumo de
  quadros entre remetentes e receptores
• Detecção de Erros
• erros são causados por atenuação do sinal e por
  ruído
• receptor detecta presença de erros
• receptor sinaliza ao remetente para
  retransmissão, ou simplesmente descarta o quadro
  em erro
• Correção de Erros
• mecanismo que permite que o receptor localize e
  corrija o(s) erro(s) sem precisar da
  retransmissão
• Half-duplex e full-duplex
• com half duplex, os nós de cada lado podem
  transmitir, mas não simultaneamente

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Comunicação entre Adaptadores
datagrama
Protocolo da camada de enlace
nó receptor
nó transm.
adaptador
adaptador

• Lado receptor
• verifica erros, transporte confiável, controle de
  fluxo, etc.
• extrai o datagrama, passa-o para o nó receptor
• adaptador é semi-autônomo
• camadas de enlace e física

• camada de enlace implementada no adaptador
  (NIC)
• placa Ethernet, cartão PCMCIA, cartão 802.11
• lado transmissor
• Encapsula o datagrama em um quadro
• Adiciona bits de verificação de erro,
  transferência confiável de dados, controle de
  fluxo, etc.

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Enlaces e Protocolos de Acesso Múltiplo

• Três tipos de enlace
• (a) Ponto-a-ponto (um cabo único)
• (b) Difusão (cabo ou meio
  compartilhado p.ex., Ethernet, rádio, etc.)
• (c) Comutado (p.ex., E-net
  comutada, ATM, etc)
• Começamos com enlaces com Difusão. Desafio
  principal Protocolo de Múltiplo Acesso

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Protocolos de Acesso Múltiplo

• canal de comunicação único de difusão
• interferência quando dois ou mais nós transmitem
  simultaneamente
• colisão se um nó receber dois ou mais sinais ao
  mesmo tempo
• Protocolo de acesso múltiplo
• algoritmo distribuído que determina como os nós
  compartilham o canal, isto é, determina quando um
  nó pode transmitir
• comunicação sobre o compartilhamento do canal
  deve usar o próprio canal!
• não há canal fora da faixa para coordenar a
  transmissão

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Taxonomia dos Protocolos MAC

• Três classes gerais
• Particionamento do Canal
• divide o canal em pequenos pedaços (slots de
  tempo, freqüência, código)
• aloca pedaço a um dado nó para uso exclusivo
  deste
• Acesso Aleatório
• canal não é dividido, podem ocorrer colisões
• recuperação das colisões
• Revezamento
• Nós se alternam em revezamento, mas nós que
  possuem mais dados a transmitir podem demorar
  mais quando chegar a sua vez

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Protocolos de Acesso Aleatório

• Quando nó tem um pacote para transmitir
• transmite na taxa máxima R.
• nenhuma coordenação a priori entre os nós
• dois ou mais nós transmitindo ? colisão,
• O protocolo MAC de acesso aleatório especifica
• como detectar colisões
• como se recuperar delas (através de
  retransmissões retardadas, por exemplo)
• Exemplos de protocolos MAC de acesso aleatório
• ALOHA
• CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA

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CSMA (Carrier Sense Multiple Access Acesso
Múltiplo com Detecção de Portadora)

• CSMA escuta antes de transmitir
• Se o canal estiver livre transmite todo o quadro
• Se o canal estiver ocupado, adia a transmissão

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CSMA/CD (Detecção de Colisões)

• CSMA/CD detecção da portadora, adia a
  transmissão como no CSMA
• As colisões são detectadas em pouco tempo
• Transmissões que sofreram colisões são abortadas,
  reduzindo o desperdício do canal
• Detecção de colisões
• Fácil em LANs cabeadas mede a potência do sinal,
  compara o sinal recebido com o transmitido
• Difícil em LANs sem fio

14
Detecção de colisões em CSMA/CD
15
Tecnologias de LAN

• Tecnologias de redes locais (LAN)
• Endereçamento
• Ethernet
• Hubs e switches
• PPP

16
Endereços MAC e ARP

• Endereço IP de 32 bits
• Endereços da camada de rede
• usado para levar o datagrama à subrede IP destino
• Endereço MAC (ou LAN, ou físico, ou Ethernet)
• usado para levar o datagrama de uma interface até
  outra interface conectada fisicamente (da mesma
  rede)
• Endereço MAC de 48 bits (para a maioria das
  redes) queimado na ROM do adaptador

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Endereços LAN e ARP
Cada adaptador na LAN possui um endereço LAN único
Endereço de Difusão FF-FF-FF-FF-FF-FF
adaptador
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Endereço LAN (cont)

• Alocação de endereços MAC administrada pelo IEEE
• Um fabricante compra uma parte do espaço de
  endereços (para garantir unicidade)
• Analogia
• (a) endereço MAC como número do CPF
• (b) endereço IP como endereço postal
• endereço MAC sem estrutura gt portabilidade
• Pode mover um cartão LAN de uma LAN para outra
• endereço IP hierárquico NÃO é portátil (requer IP
  móvel)
• Depende da subrede IP à qual o nó está conectado

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ARP Address Resolution Protocol (Protocolo de
Resolução de Endereços)

• Cada nó IP (Host, Roteador) de uma LAN possui
  tabela ARP
• Tabela ARP mapeamento de endereços IP/MAC para
  alguns nós da LAN
• lt endereço IP endereço MAC TTLgt
• TTL (Time To Live) tempo a partir do qual o
  mapeamento de endereços será esquecido (valor
  típico de 20 min)

237.196.7.78
1A-2F-BB-76-09-AD
237.196.7.23
237.196.7.14
LAN
71-65-F7-2B-08-53
58-23-D7-FA-20-B0
0C-C4-11-6F-E3-98
237.196.7.88
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Protocolo ARP Mesma LAN (rede)

• Uma cache (salva) o par de endereços IP-para-MAC
  na sua tabela ARP até que a informação fique
  antiquada (expire)
• soft state informação que expira (vai embora)
  a menos que seja renovada
• ARP é plug-and-play
• os nós criam suas tabelas ARP sem a intervenção
  do administrador da rede

• A deseja enviar datagrama para B, e o endereço
  MAC de B não está na tabela ARP.
• A difunde o pacote de solicitação ARP, que contém
  o endereço IP de B
• Endereço MAC destino FF-FF-FF-FF-FF-FF
• todas as máquinas na LAN recebem a consulta do
  ARP
• B recebe o pacote ARP, responde a A com o seu (de
  B) endereço MAC
• Quadro enviado para o endereço MAC (unicast) de A

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Roteando um pacote para outra LAN

• passo a passo envio de datagrama de A para B via
  R
• assuma que A conhece o
  endereço IP de B
• Duas tabelas ARP no roteador R, uma para cada
  rede IP (LAN)
• In routing table at source Host, find router
  111.111.111.110
• In ARP table at source, find MAC address
  E6-E9-00-17-BB-4B, etc

A
R
B
22

• A cria datagrama com origem A, destino B
• A usa ARP para obter o endereço MAC de R para
  111.111.111.110
• A cria quadro da camada de enlace com o endereço
  MAC de R como destino, quadro contém datagrama IP
  de A para B
• O adaptador de A envia o quadro
• O adaptador de R recebe o quadro
• R remove o datagrama IP do quadro Ethernet,
  verifica que é destinado para B
• R usa ARP para obter o endereço MAC de B
• R cria quadro contendo datagrama IP de A para B e
  o envia para B

A
R
B
23
Ethernet

• Muitíssimo difundida porque
• Muito barata! R30 para placas 10/100Mbps!
• A mais antiga das tecnologias de rede local
• Mais simples e menos cara que redes usando ficha
  ou ATM
• Acompanhou o aumento de velocidade 10 Mbps 10
  Gbps

Rascunho de Metcalfe sobre o Ethernet
24
Topologia em Estrela

• Topologia de barramento popular até meados dos
  anos 90
• Agora prevalência de topologia estrela
• Escolhas de conexão hub ou switch

hub ou switch
25
Estrutura de Quadro Ethernet

• Adaptador remetente encapsula datagrama IP (ou
  pacote de outro protocolo da camada de rede) num
  Quadro Ethernet
• Preâmbulo
• 7 bytes com o padrão 10101010 seguidos por um
  byte com o padrão 10101011
• usado para sincronizar receptor ao relógio do
  remetente (relógios nunca são exatos, é muito
  provável que exista algum desvio entre eles)

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Estrutura de Quadro Ethernet (cont)

• Endereços 6 bytes para cada endereço MAC
• se o adaptador recebe um quadro com endereço
  destino igual ao seu, ou com endereço de difusão
  (ex., pacote ARP), ele passa os dados do quadro
  para o protocolo da camada de rede
• caso contrário, o adaptador descarta o quadro
• Tipo indica o protocolo da camada superior,
  usualmente IP, mas existe suporte para outros
  (tais como IPX da Novell e AppleTalk)
• CRC verificado pelo receptor se for detectado
  um erro, o quadro será descartado

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Serviço não confiável e sem conexões

• Sem conexões Não há estabelecimento de conexão
  (saudação) entre os adaptadores transmissor e
  receptor.
• Não confiável o adaptador receptor não envia
  ACKs ou NACKs para o adaptador transmissor
• fluxo de datagramas passados para a camada de
  rede pode conter falhas na seqüência
• falhas serão preenchidas se aplicação estiver
  usando o TCP
• caso contrário, a aplicação verá as falhas

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Ethernet usa o CSMA/CD

• O adaptador não transmite se perceber que algum
  outro adaptador está transmitindo, isto é, escuta
  antes de transmitir (carrier sense)
• O adaptador transmissor aborta quando percebe que
  outro adaptador está transmitindo, isto é,
  detecção de colisão

• Antes de tentar uma retransmissão, o adaptador
  espera um tempo aleatório, isto é, acesso
  aleatório

29
10BaseT e 100BaseT

• Taxas de transmissão de 10 e 100 Mbps esta
  última é chamado de fast ethernet
• T significa Par Trançado (Twisted pair)
• Nós são conectados a um hub topologia estrela
  distância máxima entre os nós e o hub de 100m.

30
Gbit Ethernet

• Usa formato padrão do quadro Ethernet
• Admite enlaces ponto-a-ponto e canais de difusão
  compartilhados
• Em modo compartilhado, usa CSMA/CD para ser
  eficiente, as distâncias entre os nós devem ser
  curtas (poucos metros)
• Os Hubs usados são chamados de Distribuidores com
  Buffers (Buffered Distributors)
• Full-Duplex a 1 Gbps para enlaces ponto-a-ponto
• Agora temos também 10 Gbps!

31
Codificação de Manchester

• Usado no 10BaseT
• Cada bit possui uma transição
• Permite que os relógios nos nós transmissor e
  receptor entrem em sincronismo
• não há necessidade de um clock global,
  centralizado
• Mas, isto é assunto para a camada física!

32
Hubs

• Hubs são essencialmente repetidores de camada
  física
• bits vindos de um link são repetidos em todos os
  demais links
• na mesma taxa
• sem bufferização de quadros
• não há CSMA/CD no hub os adaptadores detectam as
  colisões
• provê funcionalidade de gerenciamento da rede

33
Interconexão com hubs

• Hub no backbone interconecta segmentos de LAN
• Estende a distância máxima entre nós
• Mas os domínios de colisão de segmentos
  individuais tornam-se um grande domínio de
  colisão
• Não dá para interligar 10Base T com 100BaseT

hub
hub
hub
hub
34
Switch (comutador)

• Dispositivo da camada de enlace
• armazena e retransmite quadros Ethernet
• examina o cabeçalho do quadro e seletivamente
  encaminha o quadro baseado no endereço MAC do
  destino
• quando o quadro deve ser encaminhado num
  segmento, usa o CSMA/CD para acessá-lo
• transparente
• hosts ignoram a presença dos switches
• plug-and-play, self-learning (auto aprendizado)
• switches não necessitam ser configurados

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Encaminhamento
1
3
2

• Como determina em que segmento de LAN deve
  encaminhar o quadro?
• Parece um problema de roteamento...

36
Auto aprendizado

• Um switch possui uma tabela de comutação
• entrada na tabela de comutação
• (Endereço MAC, Interface, Carimbo de tempo)
• entradas antigas na tabela são descartadas (TTL
  pode ser de 60 min)
• switch aprende que hosts podem ser alcançados
  através de quais interfaces
• quando um quadro é recebido, o switch aprende a
  localização do transmissor segmento de LAN de
  onde ele veio
• registra o par transmissor/localização na tabela
  de comutação

37
Exemplo com Switch

• Suponha que C envia quadro para D

endereço
interface
switch
1
A B E G
1 1 2 3
3
2
hub
hub
hub
A
I
F
D
G
B
C
H
E

• Switch recebe o quadro vindo de C
• anota na tabela de comutação que C está na
  interface 1
• dado que D não se encontra na tabela, encaminha o
  quadro para as demais interfaces 2 e 3
• quadro é recebido por D

38
Exemplo com Switch

• Suponha que D responde com um quadro para C.

endereço
interface
switch
A B E G C
1 1 2 3 1
hub
hub
hub
A
I
F
D
G
B
C
H
E

• Switch recebe o quadro vindo de D
• anota na tabela de comutação que D está na
  interface 2
• dado que C está na tabela, encaminha o quadro
  apenas na interface 1
• quadro é recebido por C

39
Switch isolamento de tráfego

• Instalação do switch quebra a subrede em diversos
  segmentos de LAN
• switch filtra os pacotes
• quadros do mesmo segmento de LAN não são
  normalmente encaminhados para os outros segmentos
• segmentos tornam-se domínios de colisão separados

domínio de colisão
domínio de colisão
domínio de colisão
40
Switches acesso dedicado

• Switch com diversas interfaces
• Hosts têm conexão direta com o switch
• Sem colisões full duplex
• Comutação A-para-A e B-para-B simultaneamente,
  sem colisões

A
C
B
switch
C
B
A
41
Rede Institucional/corporativa
servidor de mail
para a rede externa
servidor web
roteador
switch
subrede IP
hub
hub
hub
42
Switches vs. Roteadores

• ambos são dispositivos do tipo armazena-e-encaminh
  a
• roteadores dispositivos da camada de rede
  (examinam os cabeçalhos da camada de rede)
• switches são dispositivos da camada de enlace
• roteadores mantêm tabelas de roteamento,
  implementam algoritmos de roteamento
• switches mantêm tabelas de comutação, implementam
  filtragem, algoritmos de aprendizado

43
Controle de Enlace de Dados Ponto a Ponto

• um transmissor, um receptor, um canal mais fácil
  que um canal de difusão
• sem controle de acesso ao meio (MAC)
• sem necessidade de endereçamento MAC explícito
• ex. canal discado, canal ISDN/RDSI
• protocolos de enlace ponto a ponto populares
• PPP (point-to-point protocol)
• HDLC High level data link control - Controle de
  Enlace de Dados de Alto Nível (enlace de dados
  era considerado alto nível na pilha de
  protocolos)

44
Quadro de Dados do PPP

• Flag delimitador (enquadramento)
• Endereço não faz nada (apenas uma opção)
• Controle não faz nada no futuro pode ter
  múltiplos campos de controle
• Protocolo protocolo da camada superior para o
  qual o quadro deve ser entregue (ex. PPP-LCP,
  IP, IPCP, etc)

45
Quadro de Dados do PPP

• info dados da camada superior que estão sendo
  transportados
• verificação (check) código de redundância
  cíclica para verificação de erros

46
ATM e MPLS

• ATM e MPLS são redes separadas com tudo o que têm
  direito!
• modelos de serviços, endereçamento e roteamento
  diferentes dos usados na Internet
• vistos pela Internet como sendo um enlace lógico
  interconectando roteadores IP
• da mesma forma que um enlace discado é na verdade
  parte de uma rede separada (a telefônica)

47
ATM Asynchronous Transfer Mode

• padrão de alta velocidade dos anos 1990s/00
  (155Mbps a 622 Mbps e superiores) arquitetura da
  RDSI-FL (Broadband Integrated Service Digital
  Network)
• Objetivo transporte fim-a-fim integrado para
  voz, vídeo e dados
• atendendo os requisitos de sincronismo e QoS para
  voz e vídeo (versus o modelo de melhor esforço da
  Internet)
• próxima geração da telefonia raízes técnicas
  no mundo da telefonia
• Comutação de pacotes (pacotes de comprimento
  fixos, denominados de células) usando circuitos
  virtuais

48
Arquitetura ATM

• camada de adaptação apenas nas bordas de uma
  rede ATM
• segmentação e remontagem dos dados
• analogia com a camada de transporte da Internet
• camada ATM camada de rede
• comutação de células, roteamento
• camada física

49
ATM camada de rede ou de enlace?

• Visão transporte fim-a-fim ATM entre mesas de
  trabalho
• ATM é uma tecnologia de rede
• Realidade usada para conectar roteadores de um
  backbone IP
• IP sobre ATM
• ATM como uma camada de enlace comutada,
  conectando roteadores IP

rede IP
rede ATM
50
X.25 e Frame Relay

• Tecnologias de Longa Distância (como ATM)
  também, ambos orientados a Circuito Virtual, como
  ATM
• X.25 foi criado nos anos 70, com o apoio das
  Operadoras de Telecomunicações, como resposta à
  tecnologia de datagrama da ARPANET (guerra
  religiosa.)
• Frame Relay surgiu da tecnologia RDSI (no final
  dos anos 80)
• Tanto X.25 como Frame Relay podem ser usados para
  transportar datagramas IP por isto, são vistos
  como Camadas de Enlace pela camada de protocolo
  IP (e, portanto, são tratados aqui neste
  capítulo)

51
MultiProtocol Label Switching (MPLS)

• Comutação de rótulos multiprotocolo
• Objetivo inicial acelerar o encaminhamento IP
  através do uso de rótulo de comprimento fixo (ao
  invés de endereço IP)
• empresta idéias da abordagem de circuitos
  virtuais (CVs)
• mas os datagramas ainda mantêm o endereço IP!

Cabeçalho MPLS
cabeçalho IP
cabeçalho PPP ou Ethernet
restante do quadro
rótulo (label)
Exp
S
TTL
5
20
3
1
52
Redes Sem Fio e Móveis
53
Elementos de uma rede sem fio

• Hosts sem fio
• laptop, PDA, IP phone
• Rodam Aplicações
• podem ser móveis ou não
• sem fio nem sempre significa mobilidade

54
Elementos de uma rede sem fio

• estação base
• Tipicamente conectada a uma rede c/ fio
• Responsável pela comunicação entre os hosts
  móveis da sua área e os hosts das redes
  infra-estruturadas
• e.g., cell towers e 802.11 access points

55
Elementos de uma rede sem fio

• enlace sem fio
• usado para conectar os disp. móveis às estações
  base
• Usado como enlace de backbone
• Controlado por protocolos de múltiplo acesso
• Várias taxas de transmissão e distâncias máximas

56
Elementos de uma rede sem fio

• Modo Infra-estruturado
• Estação base conecta os disp. móveis na rede com
  fio
• handoff disp. móvel muda de estação base, se
  conectando à nova rede com fio

57
Elementos de uma rede sem fio

• Modo Ad hoc
• não existem estações base
• nós podem transmitir para outros somente dentro
  de uma determinada cobertura
• nós se organizam em uma rede e o roteamento só
  pode ser feito entre eles

58
Características de enlaces sem fio

• Diferenças para os enlaces com fio
• Decremento na potência do sinal sinais de rádio
  se atenuam ao longo do caminho (path loss)
• Interferência de outras fontes freqüências
  padronizadas para redes sem fio (por ex. 2.4 GHz)
  são compartilhadas por outros disp. (por ex.,
  telefone) motores também interferem
• Propagação multipath sinal de rádio reflete em
  obstáculos terrestres, chegando no destino com
  pequenas diferenças de tempo
• ? Faz da comunicação sobre um enlace sem fio
  (mesmo um ponto a ponto) muito mais difícil

59
Características das redes sem fio

• A existência de múltiplos transmissores e
  receptores sem fio cria problemas adicionais,
  que vão além do múltiplo acesso

• Probl. terminal escondido
• B, A escutam um ao outro
• B, C escutam um ao outro
• A, C não podem escutar um ao outro ? A e C não
  podem prever uma interf. em C

• Atenuação do sinal
• B, A escutam um ao outro
• B, C escutam um ao outro
• A, C não podem escutar um ao
• outro ? interf. em C

60
IEEE 802.11 Wireless LAN

• 802.11b
• 2.4-5 GHz unlicensed radio spectrum
• up to 11 Mbps
• direct sequence spread spectrum (DSSS) in
  physical layer
• all hosts use same chipping code
• widely deployed, using base stations

• 802.11a
• 5-6 GHz range
• up to 54 Mbps
• 802.11g
• 2.4-5 GHz range
• up to 54 Mbps
• All use CSMA/CA for multiple access
• All have base-station and ad-hoc network versions

61
IEEE 802.11 LAN - arquitetura

• Um host sem fio se comunica com a estação base
• estação base access point (AP)
• Basic Service Set (BSS) (célula)
• no modo infra-estruturado contém
• Hosts sem fio
• access point (AP) estação base
• no modo ad hoc somente hosts sem fio

hub, switch ou roteador
BSS 1
BSS 2
62
IEEE 802.11 múltiplo acesso

• Evita colisões (CSMA/CA) (Collision Avoidance)
  dois ou mais nós transmitindo ao mesmo tempo
• 802.11 CSMA escuta o meio antes de
  transmitir
• para não colidir com outras transmissões em
  andamento
• 802.11 não realiza detecção de colisão!
• Dificuldade de receber (escutar colisões)
  quando está transmitindo devido à fraqueza dos
  sinais recebidos (fading)
• Não pode escutar todas as colisões terminal
  escondido, fading

63
IEEE 802.11 Evitando colisões

• idéia permitir ao emissor reservar o canal ao
  invés de realizar um acesso aleatório dos
  quadros, evitando colisões de quadros longos
• Emissor primeiramente envia pequenos pacotes de
  controle request-to-send (RTS) para o AP usando o
  CSMA, mas que é ouvido por todas as estações ao
  seu alcance (inclusive o AP)
• Obs os pacotes RTS podem ainda colidir uns com
  os outros, mas como eles são pequenos, não causam
  longos atrasos
• AP envia um pct clear-to-send (CTS) para todas as
  estações que estão ao seu alcance, em resposta ao
  RTS
• Emissor transmite o quadro de dados
• Outras estações bloqueiam suas transmissões

Evita completamente as colisões de quadros de
dados usando pequenos pcts de reserva!
64
Evitando Colisões troca de RTS-CTS
A
B
AP
bloqueio
tempo