Subcamada MAC, Ethernet e Endereçamento MAC

Quem transmite, como a Ethernet organiza isso e para quem o quadro vai

Professor: Gabriel Soares Baptista

Da Aula Anterior Para Hoje

Na aula passada, o foco foi transformar um fluxo bruto de bits em quadros e verificar sua integridade com mecanismos como CRC.

Hoje o problema muda um pouco.

Mesmo com quadros bem formados, ainda falta responder:

  • Quem pode transmitir agora?
  • O que acontece se duas estações tentarem usar o mesmo meio ao mesmo tempo?
  • Como a Ethernet identifica o destinatário local?

O Problema do Meio Compartilhado

Imagine várias máquinas conectadas ao mesmo meio físico.

Cada uma pode ter um quadro pronto para enviar. Se duas transmitirem ao mesmo tempo, os sinais se sobrepõem.

Ideia central:

A subcamada MAC existe para organizar o uso desse meio compartilhado.

O Que a Subcamada MAC Resolve

A subcamada MAC (Medium Access Control) trata de perguntas como estas:

  1. Quando uma estação pode transmitir.
  2. O que fazer se o meio já estiver ocupado.
  3. Como reagir a uma colisão.
  4. Como identificar o destinatário local de um quadro.

A aula anterior tratou do quadro como estrutura.
Esta aula trata do quadro competindo pelo meio.

Alocação Estática Nem Sempre Funciona Bem

Uma ideia aparentemente organizada seria dividir o canal em partes fixas.

Exemplos:

  • FDM (Frequency Division Multiplexing) = Multiplexação por Divisão de Frequência
  • TDM (Time Division Multiplexing) = Multiplexação por Divisão de Tempo

Uso típico:

  • FDM: rádio, TV e telefonia analógica
  • TDM: telefonia digital e enlaces síncronos

Em redes de computadores, o tráfego costuma vir em rajadas. Por isso, reservar partes fixas do canal tende a desperdiçar capacidade.

Reflita

Se dez usuários recebem partes fixas de um canal e apenas dois estão transmitindo agora, o que acontece com a capacidade reservada para os outros oito?

Resposta:

Ela fica ociosa. Por isso, redes de computadores costumam preferir acesso dinâmico ao meio.

ALOHA: O Caso Mais Simples

No ALOHA, a estação transmite assim que tiver dados.

Se houver colisão:

  • espera um tempo aleatório
  • tenta novamente depois

Intuição:

É simples, mas gera muitas colisões.

Slotted ALOHA: Organizar o Tempo Ajuda

No slotted ALOHA, a estação só pode transmitir no início de um slot.

Ganho principal:

Reduz a janela em que uma colisão pode destruir um quadro.

Quando Muita Gente Usa Ao Mesmo Tempo

Reflita

É por isso que a Internet fica mais lenta quando tem muita gente usando ao mesmo tempo?

Em parte, sim.

  • Em meios compartilhados clássicos, mais tráfego significa mais colisões e retransmissões.
  • Na Internet moderna, a lentidão costuma vir mais de congestionamento, filas e gargalos.

CSMA: Escutar Antes de Falar

No CSMA (Carrier Sense Multiple Access), a estação escuta o meio antes de transmitir.

Regra:

  • Se o meio estiver ocupado, espera.
  • Se o meio estiver livre, transmite.

Intuição:

Isso reduz colisões desnecessárias em comparação com o ALOHA.

Reflita

Se duas estações escutaram o meio, concluíram quase ao mesmo tempo que ele estava livre e começaram a transmitir juntas, como a rede percebe a colisão?

CSMA/CD: Detectar Colisão Durante a Transmissão

No CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), a estação:

  1. escuta antes de transmitir
  2. continua monitorando o meio enquanto transmite
  3. se detectar colisão, interrompe e tenta de novo depois

Mecanismo importante:

backoff exponencial binário

Por Que Existe Tamanho Mínimo de Quadro

Na Ethernet clássica, a estação precisava continuar transmitindo por tempo suficiente para ainda conseguir perceber uma colisão distante.

Se o quadro fosse curto demais, ela poderia terminar de transmitir antes de descobrir o problema.

Valor clássico:

64 bytes

Ethernet Clássica

Na Ethernet clássica, várias estações compartilhavam o mesmo barramento físico.

Consequência:

  • mesmo meio
  • mesmo domínio de colisão
  • CSMA/CD fazia sentido

Ethernet Comutada

Na Ethernet moderna, cada host normalmente se conecta a uma porta de switch.

Resultado:

  • enlaces ponto a ponto
  • operação comum em full-duplex
  • colisões praticamente desaparecem

CSMA/CD é importantíssimo historicamente, mas muito menos relevante na prática atual das LANs comutadas.

Hub x Switch

Dispositivo Comportamento Consequência
Hub Repete sinais para todos Um único domínio de colisão
Switch Encaminha para a porta correta Colisões isoladas ou inexistentes

O Switch Como Equipamento Real

O switch substituiu o hub nas LANs modernas porque separa enlaces e encaminha quadros de forma seletiva.

Observe:

  • várias portas
  • encaminhamento local
  • isolamento entre enlaces

O Quadro Ethernet

O quadro Ethernet combina:

  1. MAC de destino
  2. MAC de origem
  3. Tipo/Tamanho
  4. Dados
  5. FCS/CRC

Ligação com a aula anterior:

O FCS retoma diretamente a ideia de detecção de erros.

Endereçamento MAC

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

Exemplo:

70:85:c2:94:54:22

Tipos de destino:

  • Unicast: uma interface específica
  • Multicast: um grupo
  • Broadcast: todas as estações da LAN

Broadcast Ethernet:

ff:ff:ff:ff:ff:ff

MAC Não Substitui IP

Conceito Pergunta que responde Escopo
MAC Para qual interface local este quadro vai? Enlace local
IP Para qual host lógico o pacote deve seguir? Inter-redes

Ideia central:

MAC e IP não competem. Eles trabalham em camadas diferentes.

Linux: Interface Real

Comando:

ip -br link

Resultado real:

lo               UNKNOWN        00:00:00:00:00:00 <LOOPBACK,UP,LOWER_UP>
enp5s0           UP             70:85:c2:94:54:22 <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP>
wlp4s0           DOWN           a0:b3:39:33:65:6c <BROADCAST,MULTICAST>

O que observar:

  • nome da interface
  • MAC real
  • broadcast e multicast

Linux: MAC e IP na Mesma Interface

Comando:

ip addr show

Trecho real:

2: enp5s0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500
    link/ether 70:85:c2:94:54:22 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 192.168.100.33/24 brd 192.168.100.255

Ideia importante:

A mesma interface participa da camada de enlace e da camada de rede.

Linux: Vizinho Local e Seu MAC

Comando:

ip neigh

Resultado real:

192.168.100.1 dev enp5s0 lladdr ac:8d:34:0f:a4:48 DELAY
fe80::1 dev enp5s0 lladdr ac:8d:34:0f:a4:48 router REACHABLE

O que isso mostra:

Relação entre um endereço IP vizinho e o endereço MAC usado no enlace local.

Linux: Velocidade e Duplex

Comando:

ethtool enp5s0

Trecho real:

Speed: 1000Mb/s
Duplex: Full
Port: Twisted Pair
Link detected: yes

Interpretação:

  • 1000Mb/s = Gigabit Ethernet
  • Full = colisão não é o comportamento normal
  • Twisted Pair = par trançado

Questões de Fixação - 1 / 2

1. Por que a subcamada MAC se torna importante em meios compartilhados?

2. Por que FDM e TDM podem desperdiçar capacidade em redes de computadores?

3. Diferencie ALOHA, slotted ALOHA, CSMA e CSMA/CD.

4. Por que a Ethernet clássica precisava de um tamanho mínimo de quadro?

Questões de Fixação - 2 / 2

5. Diferencie hub e switch.

6. Por que colisões praticamente desaparecem na Ethernet comutada full-duplex?

7. O que um endereço MAC identifica?

8. Qual a diferença entre MAC e IP?

Próximos Passos

Na próxima aula, avançaremos para Hardware de Interconexão (Switches) e VLANs.

  • Como switches aprendem endereços MAC.
  • Como decidem por qual porta encaminhar cada quadro.
  • Como VLANs segmentam logicamente a rede.