Capa de Enlace

• Transforme un paquete en frames, y transmitirlo a través de UN enlace.
• Determinar quién puede usar el medio compartidor: Medium Access Control (MAC)
• Transferencia confiable en medios con alta tasa de errores.
• Detección y corrección de errores.
• Qué hacer si un host llega a un punto de saturación y no puede recibir/emitir más frames: control de flujo

• Network Interface Card (NIC)

• Se agregan bits de redundancia que ayuden a detectar algunos errores.

Parity Check

Checksums

Cyclic Redundancy Check (CRC)

• $D$: secuencia de $d$ bit de datos
• $R$: secuencia de $r$ bit de comprobación (CRC)
• $G$: patrón conocido $G$, de $r+1$ bit

• La secuencia $\langle D,R \rangle$ debe ser divisible por $G$
• Receptor puede chequear el resto de dividir $\langle D,R \rangle$ por $G$
• Detecta errores de hasta $r$ bit

• $(D\times 2^r) \oplus R = nG$
• $(D\times 2^r) = nG \oplus R$
• $R$ es el resto de la división binaria $\frac{D \times 2^r}{G}$

• Partición de canal: tiempo, frecuencia o código
• Acceso aleatorio
• Turnos

Particionamiento por tiempo: Time-Division Multiple Access (TDMA)

• Acceso por turnos fijos
• Cada nodo tiene un slot que es múltiplo de un periodo de tiempo
• Con $N$ nodos y slot de tiempo $T$, se hacen rondas de $NT$
• Nodo $i$ durante $[(rN+i)\times T, (rN+i+1)\times T)$
• Con 6 nodos de 5 sec, nodo 0 transmite durante $[0,5), [30,35), [60,65), \ldots$

Particionamiento por frecuencia: Frequency-Division Multiple Access (FDMA)

• División por bandas de frecuencia. (Ej: canales de radio, televisión)
• Cada estación tiene una banda fija asignada
• Bandas no utilizadas quedan inactivas

Particionamiento por código: Code-Division Multiple Access (CDMA)

• Permite que varios usuarios transmitan en la misma frecuencia
• Cada usuario posee un código de transmisión: códigos debe ser ortogonales
• Señal a transmitir: data cliente $ \cdot $ código cliente
• Señal recibida: data recibida $ \cdot $ código cliente

Acceso aleatorio

• Cada nodo transmite cuando lo desea ocupando todo el ancho de banda disponible
• Si dos o más transmite al mismo tiempo, se produce colisión
• Protocolo debe determinar:
• Cómo detectar colisiones
• Qué hacer ante una colisión (cómo recuperarse)

• ALOHA particionado
• ALOHA
• CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA

ALOHA PARTICIONADO

• Todos los frames deben tener el mismo tamaño
• El tiempo se divide en particiones del tamaño requerido para transmitir un frame
• Nodos pueden empezar a transmitir sólo al comienzo de estas particiones
• Si dos o más empiezan a transmitir en la misma partición, se detecta colisión

• Cada nodo vuelve a transmitir en la siguiente partición, con probabilidad $p$, hasta que no haya colisiones

ALOHA particionado

• $N$ nodos con frames a enviar. Probabilidad de enviar $p$.
• Probabilidad que un nodo dado pueda transmitir: $p(1-p)^{N-1}$
• Probabilidad que cualquier nodo pueda transmitir: $Np(1-p)^{N-1}$
• $p^*$ que maximiza $Np(1-p)^{N-1}$
• Maximo valor para esta expresión $\sim 0.368$
• Canal es utilizado a los más el $37\%$ del tiempo

ALOHA

• Mayor probabilidad de colisiones
• Frame enviado en instante $t_0$ puede colisionar con frames enviados entre $[t_0-1,t_0+1]$
• Eficiencia $\sim 0.18$

Carrier Sense Multiple Access: CSMA

• Si detecta canal inactivo, envía. Si detecta canal activo, espera hasta dejar de detectar actividad
• Retrasos en la propagación permite que ocurran colisiones

CSMA, with Colission Detection: CSMA/CD

• Detección rápida de colisiones. Aborta en cuanto se detecta colisión, usando jam signal
• Usando en LAN (Ethernet): comparando nivel de fuerza de señales. WLAN: difícil de detectar

CSMA, with Colission Avoidance: CSMA/CA

• Si se detecta colisión se espera un tiempo aleatorio (con exponential backoff)
• Se envía un frame ACK para confirmar recepción (CRC correcto)

CSMA, with Colission Avoidance: CSMA/CA

CSMA, with Colission Avoidance: CSMA/CA

Protocolos por turnos: Master/Slave (polling)

• Master invita a los slaves a transmitir (polling)
• Eficiente con terminales ``tontos''
• Alta latencia con muchos slaves
• Punto de falla centralizado
• Usado en Bluetooth

Protocolos por turnos: Token

• Nodos se pasan un token
• Sólo el que tiene el token puede transmitir
• Alta latencia con muchos miembros
• ¿Qué pasa si el nodo que tiene el token desaparece?

Direcciones MAC

• 24 bit para fabricante, 24 bit para NIC
• Estructura de direccionamiento plana
• FF-FF-FF-FF-FF-FF es dirección de broadcast

Address Resolution Protocol (ARP)

• Cada nodo (host,router, algunos switch) mantiene una tabla ARP
• TTL: Time-To-Live, indica el tiempo que será recordada esa entrada

• $C$ quiere comunicarse con $A$, que no está en su tabla
• $C$ envía mensaje ARP Query con IP de $A$ y MAC FF-FF-FF-FF-FF-FF
• Todos reciben el mensaje
• Solo $A$ envía mensaje ARP Response packet con su dirección MAC
• $C$ guarda en su tabla ARP la asocación IP(A),MAC(A)

• 111.111.111.111 desea enviar frame a 222.222.222.222
• 222.222.222.222 no está en su tabla ARP (ni en broadcast)
• Envía: $\langle \text{IP}=222.222.222.222, \text{MAC}=? \rangle$.
• Si MAC=49-BD-D2-C7-56-2A, el frame no sale de la subred.
• Debe ser MAC=E6-E9-00-17-BB-4B. Router recibe y pasa a su capa de red.
• Router envía frame con $\langle \text{IP}=222.222.222.222, \text{MAC}=\text{49-BD-D2-C7-56-2A} \rangle$

Ethernet

• Basado en coaxial: broadcast LAN. Topología de bus.
• Basado en hub: broadcast LAN. Topología estrella.
• Basado en switch. Evita colision. Dispositivo L2.

Frame Ethernet

• Data. 46 a 1500 byte. Ethernet MTU: 1500 byte. Jumbo frame $\sim$ 9000 byte.
• Destination MAC. Destinatario la procesa solo si es la propia o FF-FF-FF-FF-FF-FF.
• Source MAC.
• Type. Protocolo: IP, Novell IPX, AppleTalk, ARP
• CRC. Ethernet descarta frames erróneos. No avisa. No confiable.
• Preamble. $7 \times $10101010, $1 \times $10101011

L2 Switches

Switch Table

• Si no hay entrada para DD-DD-DD-DD-DD-DD, broadcast por todos los enlaces, salvo $x$
• Si hay entrada para DD-DD-DD-DD-DD-DD con enlace $x$, descarta (filtering).
• Si hay entrada para DD-DD-DD-DD-DD-DD con enlace $y \neq x$, reenvía (forwarding).

Switch Table

• Tabla inicialmente vacía
• Para cada frame recibido, switch almacena:
1. source MAC
2. enlace de recepción
3. tiempo de recepción.
• Después de un aging time, el switch elimina la entrada. Un host puede ser reemplazado, y esta información llega eventualmente al switch.
• Un switch es plug-and-play

Switch y ciclos

Switches: Spanning Tree Protocol

• Elegir un root bridge. En base a una prioridad + identificar (MAC)
• Cada uno (salvo root) elige enlace en dirección al root bridge (RP)
• Cada uno determina sus designated port
• Puertos no usados quedan como blocked (alternativos)

Switches: Spanning Tree Protocol

                

Switch vs Router

Virtual LANs (VLAN)

• Broadcasts (ARP, DHCP) pueden pasar por todo la red Switched LAN. ¿Sniffers?
• Entonces, usemos múltipes switches.
• Si un usuario se cambia de "grupo de trabajo", se necesita re-cablear al switch correcto

Virtual LANs (VLAN)

Virtual LANs (VLAN)

Virtual LANs (VLAN)

• Tag Control Information indica número de VLAN

• VLAN en base a puertos (este ejemplo)
• VLAN en base a MAC
• VLAN en base a IP