Revisão Para a Segunda Avaliação

Da camada de enlace ao endereçamento IP

Professor: Gabriel Soares Baptista

Ideia Geral da Prova

A avaliação cobre a passagem de uma comunicação local para uma comunicação entre redes.

Pense em três perguntas centrais

1. Como os bits viram unidades organizadas no enlace?
2. Como a LAN decide quem recebe cada quadro?
3. Como o pacote sai da LAN e atravessa redes diferentes?

Mapa Mental

Regra prática

Se o problema é local, pense em quadro, MAC, switch e VLAN.

Se o problema é entre redes, pense em pacote, IP, roteador e rota.

Conceitos Que Você Precisa Dominar

Camada de enlace

• transforma fluxo de bits em quadros
• define começo e fim com enquadramento
• detecta erros com redundância, como CRC

Camada de rede

• transporta pacotes entre redes diferentes
• usa endereços IP
• depende de roteadores e algoritmos de roteamento

Camada de Enlace

A camada física entrega apenas um fluxo bruto de bits.

01111110010000010100001001111110...

Problema

O receptor precisa saber:

• onde uma unidade começa
• onde ela termina
• se houve alteração durante a transmissão

Solução

A camada de enlace organiza os bits em quadros.

Quadro x Pacote

Encapsulamento

O pacote IP viaja dentro do quadro Ethernet no enlace atual.

Quando muda o enlace, o quadro pode mudar. O pacote IP continua guiando o destino lógico.

Enquadramento

Enquadrar significa definir claramente onde o quadro começa e termina.

Métodos principais

Byte Stuffing

Se FLAG marca a borda do quadro, ela não pode ser confundida com dado comum.

Regras

1. Se FLAG aparecer nos dados, transmite ESC FLAG.
2. Se ESC aparecer nos dados, transmite ESC ESC.

Exemplo

Dados:        A FLAG B
Transmitido:  FLAG A ESC FLAG B FLAG

Bit Stuffing

Em protocolos com delimitação por bits, uma flag comum é:

01111110

Regra

Sempre que o transmissor encontra cinco bits 1 consecutivos nos dados, ele insere um 0.

Intuição

O transmissor evita que o padrão de flag apareça por acidente dentro dos dados.

O receptor remove o 0 inserido artificialmente.

Bit Stuffing: Exemplo Rápido

Suponha que os dados tenham uma sequência com cinco 1s seguidos.

Leitura

• cinco bits 1 aparecem nos dados
• 0 inserido evita formar uma falsa flag

Ideia

O transmissor não quer que a sequência dos dados seja confundida com a flag 01111110.

No receptor, esse 0 extra é removido antes de entregar os dados.

Detecção x Correção de Erros

Frase para lembrar

Detecção: sei que algo deu errado.

Correção: sei que algo deu errado e consigo consertar.

Redundância

Nenhum mecanismo de erro funciona enviando apenas os dados crus.

Ideia central

O transmissor adiciona informação extra.

dados + redundância = quadro verificável

Na Ethernet

O quadro possui um FCS, normalmente calculado com CRC, para detectar alterações no quadro.

Código de Hamming: O Que Importa

O Hamming mostra que redundância bem organizada pode indicar onde está o erro.

Hamming (7,4)

Ideia

As posições de paridade são potências de 2.

A síndrome aponta a posição com erro.

Hamming (7,4): Colocando os Dados

Vamos transmitir os dados originais:

1011

No Hamming (7,4), as posições 1, 2 e 4 são de paridade.

Hamming (7,4): De Onde Vêm os Grupos?

Os grupos de paridade vêm da representação binária das posições.

Hamming (7,4): Regra Visual

Cada paridade observa as posições em que um bit específico do número binário vale 1.

Portanto

Essa ordem não é decorada. Ela vem dos bits 1, 2 e 4 que aparecem na numeração binária das posições.

Hamming (7,4): Grupos de Paridade

Usando paridade par:

Por quê?

Cada grupo precisa ficar com quantidade par de bits 1.

Hamming (7,4): Palavra Transmitida

Substituindo os bits de paridade:

Palavra final

0 1 1 0 0 1 1

Sem espaços:

0110011

Hamming (7,4): Detectando Um Erro

Suponha que o bit da posição 5 seja invertido no caminho.

Transmitido: 0110011
Recebido:    0110111

Testes de paridade

Hamming (7,4): Síndrome

Montamos a síndrome na ordem p4 p2 p1, porque esses testes têm pesos 4, 2 e 1.

p4 p2 p1
 1  0  1

101 em binário = 5 em decimal

Também podemos ler como soma dos pesos:

p4 + p2 + p1 = 4 + 0 + 1 = 5

Conclusão

O erro está na posição 5.

O receptor inverte o bit da posição 5 e recupera a palavra correta.

Subcamada MAC

A subcamada MAC resolve o problema de acesso ao meio.

Ela responde

• quando uma estação pode transmitir
• o que fazer se o meio estiver ocupado
• como reagir a colisões
• qual interface local deve receber o quadro

Importante

MAC significa Medium Access Control.

Ethernet Clássica x Ethernet Comutada

Por quê?

Em full-duplex, cada host conversa com uma porta do switch em um enlace próprio. Não há um único barramento compartilhado por todos.

Endereço MAC

O endereço MAC identifica uma interface de rede no enlace local.

Exemplo

70:85:c2:94:54:22

Tipos de destino

Broadcast Ethernet:

ff:ff:ff:ff:ff:ff

MAC Não Substitui IP

Exemplo

Para acessar um servidor fora da LAN, o quadro pode usar o MAC do roteador como destino local.

Mas o pacote dentro dele mantém o IP do servidor como destino final.

Exemplo: Quadro Muda, Pacote Continua

Seu notebook acessa um servidor fora da LAN.

Primeiro enlace

Quadro Ethernet:
MAC origem = notebook
MAC destino = roteador local

Pacote IP dentro do quadro:
IP origem = notebook
IP destino = servidor externo

Cores da ideia

Quadro/MAC vale para o enlace atual.

Pacote/IP carrega o destino lógico final.

Próximo enlace

O roteador remove o quadro local e cria outro quadro para o próximo salto.

O destino IP do servidor continua guiando a viagem.

Hub, Switch e Roteador

Erro comum

Switch não é apenas um hub mais rápido. Ele muda a lógica de entrega dentro da LAN.

Como o Switch Aprende

O switch usa aprendizado reverso.

Regra

Quando um quadro entra por uma porta, o switch observa o MAC de origem.

MAC de origem A entra pela porta 1

Então ele aprende:

A -> porta 1

Flood, Forward e Filter

Atenção

Mesmo com switch, broadcasts ainda existem dentro do domínio de broadcast.

Switch: Exemplo de Aprendizado

Considere um switch com quatro portas.

1. A envia um quadro para D pela porta 1.
2. O switch aprende A -> porta 1.
3. Como ainda não sabe onde está D, faz flood.
4. D responde pela porta 4.
5. O switch aprende D -> porta 4.
6. No próximo quadro de A para D, faz forward só para a porta 4.

Ideia central

O próprio tráfego ensina a tabela MAC ao switch.

VLAN

Uma VLAN é uma LAN virtual.

Efeito principal

Cada VLAN cria seu próprio domínio de broadcast.

Exemplo

Portas 1 a 4 -> VLAN 10
Portas 5 a 8 -> VLAN 20

Um broadcast da VLAN 10 não deve atingir automaticamente hosts da VLAN 20.

Access, Trunk e 802.1Q

Ideia importante

Se várias VLANs atravessam o mesmo enlace trunk, o switch receptor precisa saber a qual VLAN cada quadro pertence.

Essa identificação vem da tag 802.1Q.

VLAN em Dois Switches

Imagine dois switches conectados por uma porta trunk.

Switch A, porta 2 -> VLAN 10
Switch B, porta 7 -> VLAN 10
Enlace entre switches -> trunk

O que acontece em um broadcast da VLAN 10?

1. O quadro sai da porta 2 no Switch A.
2. Ao atravessar o trunk, recebe identificação 802.1Q da VLAN 10.
3. O Switch B lê a tag.
4. O Switch B entrega apenas para portas da VLAN 10.

O Que VLAN Não Faz Sozinha

VLAN separa domínios de camada 2.

Consequência

Duas máquinas em VLANs diferentes normalmente não se comunicam diretamente em camada 2 apenas por estarem no mesmo switch físico.

Para comunicar VLANs

É necessário roteamento entre VLANs, ou seja, camada 3.

Camada de Rede

A camada de rede trata da comunicação entre redes diferentes.

Unidade central

pacote

Equipamento central

roteador

Ideia

Cada roteador recebe um pacote, consulta sua tabela e escolhe o próximo salto.

Encaminhamento x Roteamento

Frase para lembrar

Encaminhamento é a decisão do momento.

Roteamento é o cálculo que prepara essa decisão.

IPv4 Como Datagrama

O IPv4 é sem conexão e de melhor esforço.

Sem conexão

Não estabelece um caminho fixo antes de enviar cada pacote.

Melhor esforço

A rede tenta entregar, mas não garante:

• entrega
• ordem
• ausência de duplicação
• recuperação automática de perda

Dijkstra: O Que o Algoritmo Faz

Dijkstra encontra o menor caminho em um grafo com custos nas arestas.

Na prova, organize uma tabela

Significado

• distância = melhor custo conhecido até agora
• predecessor = nó anterior no melhor caminho
• status = provisório ou permanente

Dijkstra: Passos Fixos

1. Inicialize a origem com custo 0.
2. Inicialize os demais nós com custo infinito.
3. Escolha o nó provisório de menor custo.
4. Torne esse nó permanente.
5. Relaxe as arestas que saem dele.
6. Repita até fixar o destino.
7. Reconstrua a rota pelos predecessores.

Relaxar uma aresta

Testar se passar pelo nó recém-fixado melhora o custo de um vizinho.

Dijkstra: Grafo Para Revisão

Queremos sair de $A$ e chegar a $E$.

Dijkstra: Passo 0

Começamos pela origem $A$.

Relaxe os vizinhos de A

B = 0 + 2 = 2, predecessor A
C = 0 + 1 = 1, predecessor A

Dijkstra: Depois de Relaxar A

Próxima escolha

O menor provisório é $C$, com custo 1.

Então $C$ se torna permanente.

Dijkstra: Passo 1, Expandindo C

Agora $P = \{A, C\}$.

Vizinhos de C

D: custo por C = 1 + 5 = 6
E: custo por C = 1 + 2 = 3

Dijkstra: Passo 2, Expandindo B

O menor provisório agora é $B$, com custo 2.

Então $B$ se torna permanente.

Teste em D

D por B = 2 + 3 = 5
D atual = 6

Como 5 é menor que 6, atualizamos $D$.

Dijkstra: Passo 3, Destino Resolvido

O menor provisório é $E$, com custo 3.

Como $E$ é o destino, o menor caminho foi encontrado.

Reconstruindo pelos predecessores

E <- C <- A

Invertendo:

A -> C -> E

Custo total

1 + 2 = 3

Dijkstra: Checklist Para Fazer à Mão

1. Não altere o custo de nó permanente.
2. Sempre registre o predecessor quando melhorar um custo.
3. Escolha sempre o menor provisório.
4. Se houver empate, use um critério consistente.
5. No final, reconstrua de trás para frente.

Erro comum

Encontrar um caminho até o destino não basta. Ele só está garantido quando o destino vira o menor provisório e é fixado.

Protocolo IP

O IP oferece endereçamento lógico para interligar redes.

IPv4

• endereço de 32 bits
• escrita decimal pontuada
• depende de prefixo e máscara

IPv6

• endereço de 128 bits
• escrita hexadecimal com dois-pontos
• cabeçalho base fixo de 40 bytes

Prefixo e Máscara

Um endereço IPv4 sozinho não separa rede e host.

Exemplo

192.168.1.34/24

Interpretação

• /24 indica 24 bits de rede
• sobram 8 bits de host
• máscara equivalente: 255.255.255.0

Cuidado

A rede não são sempre os três primeiros números. Isso depende do prefixo.

Sub-redes: Receita de Cálculo

Para dividir uma rede em sub-redes de tamanho fixo:

1. Veja o prefixo original.
2. Calcule quantos bits precisa emprestar para a quantidade de sub-redes.
3. Some esses bits ao prefixo original.
4. Calcule quantos bits sobraram para hosts.
5. Calcule tamanho do bloco e hosts utilizáveis.

Exemplo de Sub-rede

Divida 192.168.10.0/24 em 4 sub-redes iguais.

Passo 1: bits para sub-redes

2^2 = 4

Precisamos emprestar 2 bits.

Passo 2: novo prefixo

/24 + 2 = /26

Leitura por cores

/24 original + 2 bits emprestados para sub-rede = /26 novo prefixo

Exemplo de Sub-rede: Hosts

Com /26, sobram:

32 - 26 = 6 bits de host

Quantidade total de endereços por sub-rede:

2^6 = 64

Hosts utilizáveis em IPv4 tradicional:

64 - 2 = 62

Por que menos 2?

Um endereço identifica a rede e outro identifica o broadcast.

Exemplo de Sub-rede: Blocos /26

Dentro de um /24, o /26 cria blocos de 64 endereços.

Exemplo de Sub-rede: Host 192.168.10.77/26

Blocos de /26:

0, 64, 128, 192

O número 77 cai entre 64 e 127.

Logo, ele pertence ao bloco que começa em .64.

Resultado

Sub-rede: 192.168.10.64/26
Broadcast: 192.168.10.127
Hosts úteis: 192.168.10.65 a 192.168.10.126

Sub-redes: Técnica Rápida do Bloco

Para descobrir a sub-rede de 192.168.10.77/26:

Passo 1: descobrir o bloco

/26 dentro de um /24 tem bloco de 64.

0, 64, 128, 192

Passo 2: localizar o host

O último octeto é 77.

O maior início de bloco menor ou igual a 77 é 64.

Esse é o ponto-chave: achar o início do bloco.

Resultado

Rede:      192.168.10.64/26
Broadcast: 192.168.10.127

Máscaras Comuns Dentro de Um /24

Atenção

Prefixo maior significa mais bits de rede e menos bits de host.

Correspondência Pelo Prefixo Mais Longo

Quando várias rotas combinam com o destino, o roteador escolhe a mais específica.

Destino:

10.20.30.45

Escolha correta: 10.20.30.0/24, interface C.

IPv4 x IPv6

Ideia central

IPv6 aumenta muito o espaço de endereços, mas a ideia de prefixo continua importante.

Próximos Passos

Avaliação (C2)!