A camada de enlace

Neste post irei escrever um resumo dos meus estudos acerca da segunda camada da pilha do modelo OSI, também conhecida como camada de enlace. Grande parte do conteúdo está sendo retirado do livro citado na referência [1], pois é o livro que estou lendo no momento para aprender mais coisas sobre redes.

De acordo com [1], a segunda camada da pilha do modelo OSI é chamada camada de enlace de dados. Essa camada implementa diversos algoritmos que permitem uma comunicação eficiente e confiável de unidades de informação inteiras, chamadas de quadros (ou frames, em inglês), em vez de bits individuais, como na camada física, entre dois computadores adjacentes.

• MODELO OSI:

Em outras palavras, a camada de enlace de dados usa os serviços da camada física para enviar e receber bits pelos canais de comunicação. Algumas das funções dessa camada são:

1. Fornecer uma interface de serviço bem definida à camada de rede (camada 3);
2. Lidar com erros de transmissão;
3. Regular o fluxo de dados de tal forma que receptores lentos não sejam atropelados por transmissores rápidos.

Para alcançar esses objetivos, a camada de enlace de dados recebe os pacotes, que consistem em dados puros, da camada de rede e os encapsula em quadros para transmissão.

Cada quadro contém um cabeçalho (header), um campo de carga útil que conterá o pacote, e um final de quadro (trailer). Portanto, um quadro consiste em um pacote incorporado de algumas informações de controle (no cabeçalho) e em um checksum (no final).

O gerenciamento de quadros constitui o núcleo das atividades da camada de enlace de dados.

Equipamentos dessa camada

Switch

O principal equipamento que opera nesta camada é o switch, que é responsável por realizar o tráfego de dados dentro de uma mesma rede LAN. Algumas características desse dispositivo são:

• Trabalha de modo local (LAN);
• Equipamento mais barato que os roteadores;
• Conecta vários dispositivos no mesmo domínio de broadcast;
• Apresenta várias interfaces (portas para conexão);
• N domínios de colisão;
• 1 domínio de broadcast (pode ser alterado com a utilização de VLAN's);
• Utilizado para grandes taxas de banda.

Hub

Foi um dispositivo muito usado principalmente nos anos 70, antes da popularização dos switchs. Porém, devido aos problemas apresentados foi logo substituído por novas tecnologias. Algumas características desse dispositivo são:

• 1 domínio de broadcast;
• 1 domínio de colisão, ou seja, apenas um equipamento pode se comunicar por vez;
• Hoje em dia é utilizado para ligações de equipamentos USB (Hub USB).

Serviço orientado a conexões

O serviço mais sofisticado que a camada de enlace de dados é capaz de oferecer à camada de rede é o serviço orientado a conexões. Com ele, as máquinas de origem e destino estabelecem uma conexão antes de qualquer dado ser transferido. Cada quadro enviado pela conexão é numerado, e a camada de enlace de dados garante que cada quadro será, de fato, recebido. Além disso, essa camada garante que todos os quadros serão recebidos uma única vez e na ordem correta. Assim, os serviços orientados a conexões fornecem aos processos da camada de rede o equivalente a um fluxo de bits confiável. Isso é apropriado para enlaces longos, não confiáveis, como um canal de satélite ou um circuito telefônico interurbano.

Quando o serviço orientado a conexões é usado, as transferências passam por três fases distintas. Na primeira fase, a conexão é estabelecida, fazendo ambos os lados inicializar as variáveis e os contadores necessários para controlar os quadros que são recebidos e os que não são. Na segunda fase, um ou mais quadros são realmente transmitidos. Na terceira e última fase, a conexão é desfeita, liberando-se as variáveis, os buffers e os outros recursos usados para mantê-la.

Enquadramento

Para transmitir os quadros da camada de enlace são utilizados os serviços fornecidos a ela pela primeira camada (camada física). O que a camada física faz é aceitar um fluxo de bits brutos e tentar entregá-lo ao destino.

Para contornar os possíveis problemas ocasionados na transmissão, em geral, a estratégia adotada pela camada de enlace de dados é dividir o fluxo de bits em quadros distintos, calcular um pequeno valor (um token), chamado de checksum (somatório de verificação), para cada quadro e incluir essa soma de verificação no quadro quando ele for transmitido.

Quando um quadro chega a seu destino, o checksum é recalculado. Se o checksum recém-calculado for diferente do que está contido no quadro, a camada de enlace de dados saberá que houve um erro e tomará providências para lidar com ele (por exemplo, descartando o quadro defeituoso e possivelmente também enviando de volta um relatório de erros).

Controle de erros

É possível lidar com erros na camada de enlace, verificando os quadros que trafegam na rede, certificando-se que a entrega dos pacotes ocorreu corretamente.

A forma mais comum de garantir uma entrega confiável é dar ao transmissor algum tipo de feedback sobre o que está acontecendo no outro extremo da linha. Normalmente, o protocolo solicita que o receptor retorne quadros de controle especiais com confirmações positivas ou negativas sobre os quadros recebidos.

Os projetistas de redes desenvolveram duas estratégias básicas para lidar com os erros. Ambas acrescentam informações redundantes aos dados enviados. Uma estratégia é incluir informações redundantes suficientes para permitir que o receptor deduza quais foram os dados transmitidos. A outra é incluir apenas a redundância suficiente para permitir que o receptor deduza que houve um erro (mas não qual erro) e solicite uma retransmissão.

A primeira estratégia usa códigos de correção de erros, enquanto a segunda usa códigos de detecção de erros. O uso de códigos de correção de erros normalmente é conhecido como correção adiantada de erros, ou FEC (Forward Error Correction).

Cada uma dessas técnicas ocupa um nicho em ambientes específicos. Em canais altamente confiáveis, como os de fibra, é mais econômico utilizar um código de detecção de erros e simplesmente retransmitir o bloco defeituoso ocasional. Porém, em canais como enlaces sem fio, que geram muitos erros, é melhor adicionar redundância suficiente a cada bloco para que o receptor seja capaz de descobrir qual era o bloco transmitido originalmente.

Deve ficar claro que um protocolo no qual o transmissor envia um quadro e depois espera por uma confirmação, positiva ou negativa, permanecerá suspenso para sempre caso um quadro tenha sido completamente perdido - por exemplo, em consequência de mau funcionamento do hardware ou canal de comunicação deficiente.

Essa possibilidade é tratada com a introdução de timers na camada de enlace de dados. Quando o transmissor envia um quadro, em geral ele também inicializa um timer. Este é ajustado para ser desativado após um intervalo suficientemente longo para o quadro chegar ao destino, ser processado ali e ter sua confirmação enviada de volta ao transmissor. Em geral, o quadro será recebido de forma correta e a confirmação voltará antes que se alcance o tempo-limite do timer e, nesse caso, ele será cancelado.

Esse reenvio de quadros cria um novo problema pois o recepetor pode receber um quadro mais de uma vez. Para contornar este problema os quadros são numerados de forma sequencial, de modo que o receptor possa distinguir as retransmissões dos originais.

A questão do gerenciamento dos timers e dos números de sequências para garantir que cada quadro seja realmente passado para a camada de rede no destino exatamente uma vez, nem mais nem menos, é uma parte importante das atribuições da camada de enlace de dados (e das camadas mais altas).

Controle de fluxo

Outro aspecto de projeto importante que ocorre na camada de enlace de dados (e também nas camadas mais altas) é o que fazer com um transmissor que sistematicamente deseja transmitir quadros mais rápido do que o receptor pode aceitá-los.

Para contornar essa situação são usadas comumente duas abordagens. Na primeira, chamada controle de fluxo baseado em feedback, o receptor envia de volta ao transmissor informações que permitam a ele enviar mais dados, ou que pelo menos mostrem ao transmissor a situação real do receptor. Na segunda, chamada controle de fluxo baseado na velocidade, o protocolo tem um mecanismo interno que limita a velocidade com que os transmissores podem enviar os dados, sem usar o feedback do receptor.

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Referências:

[1] - Redes de Computadores - 5ª edição.