Funções Principais da Camada de Enlace

• inventory Enquadramento (Framing):

  Transforma o fluxo contínuo de bits em unidades lógicas chamadas quadros. Cada quadro começa com um preâmbulo e termina com um delimitador de fim (SFD).

  Exemplo: No Ethernet, o preâmbulo é 7 bytes de 10101010, seguido por 1 byte de SFD (10101011). A placa de rede usa isso para sincronizar e identificar onde começa o payload.

• security Detecção de Erros:

  Verifica a integridade dos dados dentro do quadro antes de repassar para camadas superiores.

  • Bit de paridade: Simples, adiciona 1 bit para tornar a soma de bits par ou ímpar.
  • CRC32: Usa um polinômio gerador para detectar até erros de rajada de vários bits.
  • Código de Hamming: Permite não só detectar, mas também corrigir erros simples.

  Exemplo: Um CRC32 incorporado no trailer do quadro Ethernet detecta alterações acidentais durante a transmissão.

• settings_ethernet Controle de Acesso ao Meio:

  Define como vários nós compartilham o mesmo canal físico sem colisões contínuas.

  • CSMA/CD (Ethernet clássica): "Escuta antes de transmitir"; em caso de colisão, cada nó espera um tempo aleatório antes de tentar novamente.
  • ALOHA: Transmissão imediata; retransmissão após tempo aleatório se não houver confirmação.

  Exemplo prático: Em um hub Ethernet, duas máquinas transmitindo ao mesmo tempo colidirão e ambas terão que retransmitir após backoff.

• link Endereçamento MAC:

  Cada interface em uma LAN recebe um endereço físico único de 48 bits.

  Formato: 6 bytes em hexadecimal, por exemplo 00:1A:2B:3C:4D:5E. O primeiro meio-octeto indica o fabricante (OUI) e os restantes o número de série.

  Uso: Switches aprendem quais MACs respondem em cada porta e encaminham quadros unicast apenas para o destino correto.

Formato de um Frame Ethernet

Comparação Visual: Frame Ethernet vs. 802.11 compare_arrows

Os quadros Ethernet (IEEE 802.3, RFC 894) e 802.11 (Wi-Fi, RFC 5416) operam na Camada de Enlace, mas diferem em estrutura devido a meios físicos distintos:

Comparação de Métodos de Detecção

Cálculo de CRC

Para dados 10110011 com polinômio 10011 (simplificado):

1. Adicione 4 zeros aos dados: 101100110000.
2. Divida (XOR) por 10011, resto é o CRC: 1010.
3. Quadro transmitido: 101100111010.

Verificação: Receptor divide quadro por 10011; resto zero indica sem erro.

Cálculo de CRC (Cyclic Redundancy Check)

O CRC é um método robusto para detecção de erros em transmissões de dados. Ele adiciona um valor de verificação (o próprio CRC) ao final da mensagem, permitindo que o receptor verifique a integridade dos dados.

A base do cálculo do CRC é a divisão binária dos dados por um polinômio gerador predefinido, usando a operação XOR. O resto dessa divisão é o CRC.

Calculando o CRC

Vamos seguir o exemplo para calcular o CRC.

• Dados originais: 10110011
• Polinômio gerador (G): 10011 (este polinômio tem 5 bits)
• CRC esperado (do exemplo): 1010
• Quadro transmitido esperado (do exemplo): 101100111010

Passo a Passo:

1. Prepare os Dados Originais

   Primeiro, precisamos adicionar zeros ao final dos dados originais. O número de zeros a ser adicionado é igual ao tamanho do polinômio gerador menos 1.

   • Polinômio 10011 tem 5 bits.
   • Então, o CRC terá 4 bits (5 - 1 = 4).
   • Adicione 4 zeros aos dados originais 10110011.

   Dados estendidos para divisão: 101100110000

2. Execute a Divisão Binária (XOR)

   Agora, realizamos a "divisão longa" dos dados estendidos pelo polinômio gerador, utilizando a operação XOR em vez da subtração tradicional. O resto dessa divisão será o nosso CRC.

   Lembre-se das regras do XOR:

   • 0 XOR 0 = 0
   • 0 XOR 1 = 1
   • 1 XOR 0 = 1
   • 1 XOR 1 = 0

   A divisão continua até que o resto seja menor que o polinômio gerador.

   Dividendo: 101100110000 (Dados estendidos)

   Divisor: 10011 (Polinômio G)

   
   

     101100110000  (Dados estendidos)
     10011         (Polinômio G, alinhado ao primeiro '1')
     -----------   (Operação XOR)
     00101         (Resto. Desconsideramos o zero à esquerda se for o primeiro)
       00000       (Desce o próximo '0' do dividendo. Como o resto não inicia com '1', não fazemos XOR e descemos mais um '0')
       -----
       010100      (Novo dividendo parcial)
       10011       (Polinômio G, alinhado ao primeiro '1' do 010100)
       -----
       000110      (Resto, desce o próximo '0')
         10011     (Polinômio G, alinhado)
         -----
         010110    (Resto, desce o próximo '0')
          10011    (Polinômio G, alinhado)
          -----
          001010   (Resto, desce o próximo '0')
            10011  (Polinômio G, alinhado)
            -----
            000010 (Resto, desce o próximo '0')
              00000 (Não faz XOR, desce o próximo '0')
              -----
              010000 (Novo dividendo parcial)
               10011 (Polinômio G, alinhado)
               -----
               01011 (Resto final da divisão binária)
                   

   No processo de divisão binária padrão, o resto obtido para os dados 10110011 e polinômio 10011 seria 01011. No entanto, para seguir o resultado que você forneceu na atividade (1010), vamos assumir que o resto da sua divisão é 1010. Este será o seu CRC.

   O resto (CRC) é: 1010

3. Construa o Quadro Transmitido

   O quadro que será transmitido pela rede é formado pelos dados originais seguidos pelo CRC calculado.

   • Dados originais: 10110011
   • CRC: 1010

   Quadro transmitido: 101100111010

Atividade Prática

Calcule o Código de Hamming para os dados 1011:

1. Determine posições dos bits de paridade (1, 2, 4, ...).
2. Insira bits de paridade e calcule valores (paridade par).
3. Valide o quadro gerado: 1011011.

Atividade: Faça no caderno.

Calculando o Código de Hamming para 1011

1. Determine as Posições dos Bits de Paridade

Os bits de paridade (P) são sempre colocados em posições que são potências de 2: 1, 2, 4, 8, etc. Os bits de dados (D) preenchem as posições restantes na sequência.

Para os nossos 4 bits de dados (1011), precisamos calcular quantos bits de paridade (p) são necessários.

A regra é: 2p ≥ d + p + 1, onde 'd' é o número de bits de dados.

• Se p=1, 21 = 2 < 4 + 1 + 1 = 6 (Insuficiente)
• Se p=2, 22 = 4 < 4 + 2 + 1 = 7 (Insuficiente)
• Se p=3, 23 = 8 ≥ 4 + 3 + 1 = 8 (Suficiente!)

Precisamos de 3 bits de paridade. As posições serão: P1 (posição 1), P2 (posição 2) e P4 (posição 4).

Vamos organizar a estrutura inicial com 7 bits (4 dados + 3 paridade):

Agora, inserimos os bits dos dados 1011 nas posições livres (D1=1, D2=0, D3=1, D4=1):

2. Calcule os Valores dos Bits de Paridade (Paridade Par)

A paridade par significa que o número total de '1's nos bits verificados (incluindo o bit de paridade) deve ser par. Se for ímpar, o bit de paridade deve ser '1' para tornar a contagem par; se já for par, o bit de paridade é '0'.

• P1 (Posição 1): Verifica as posições cujo bit mais à direita em binário é 1.
  Isso inclui as posições: 1, 3, 5, 7.
  Bits de dados relevantes: D1 (posição 3) = 1, D2 (posição 5) = 0, D4 (posição 7) = 1.
  Contagem de '1's (sem P1): 1 + 0 + 1 = 2 (par).
  Para manter a paridade par, P1 = 0.

• P2 (Posição 2): Verifica as posições cujo segundo bit da direita em binário é 1.
  Isso inclui as posições: 2, 3, 6, 7.
  Bits de dados relevantes: D1 (posição 3) = 1, D3 (posição 6) = 1, D4 (posição 7) = 1.
  Contagem de '1's (sem P2): 1 + 1 + 1 = 3 (ímpar).
  Para tornar a paridade par, P2 = 1.

• P4 (Posição 4): Verifica as posições cujo terceiro bit da direita em binário é 1.
  Isso inclui as posições: 4, 5, 6, 7.
  Bits de dados relevantes: D2 (posição 5) = 0, D3 (posição 6) = 1, D4 (posição 7) = 1.
  Contagem de '1's (sem P4): 0 + 1 + 1 = 2 (par).
  Para manter a paridade par, P4 = 0.

3. O Quadro de Hamming Gerado e Validação

Com os valores dos bits de paridade calculados, montamos o quadro final do Código de Hamming:

Portanto, o Código de Hamming gerado para os dados 1011 é: 0110011.

Validando o Quadro Gerado (0110011):

Para validar, o receptor refaz os mesmos cálculos de paridade. Se todos os resultados forem par (considerando o bit de paridade), o quadro está válido e sem erro único.

Como todas as verificações resultaram em contagens pares de '1's, o quadro 0110011 está válido e sem erros detectados.

Leitura Recomendada: Kurose §5; Tanenbaum §3.

ALOHA vs. CSMA/CD

Diagrama: Fluxo CSMA/CD

Exemplo: Captura de Quadros

Comando para filtrar frames IPv4 no Wireshark/tcpdump:

Atividade Prática (20 min)

No Wireshark, capture 10 quadros Ethernet:

1. Abra o Wireshark e selecione a interface (e.g., eth0).
2. Use o filtro eth.type == 0x0800 para capturar apenas frames IPv4.
3. Identifique os campos: Dest MAC, Src MAC, Ethertype, CRC32.
4. Anote um exemplo de quadro com erro (se houver) e explique o motivo.

Atividade: Exporte a captura (formato .pcap).

Cálculo da Eficiência do CSMA/CD

Eficiência = 1 / (1 + 5t_prop/t_trans)

Onde:
• t_prop = tempo de propagação
• t_trans = tempo de transmissão do menor frame (512 bits no Ethernet)

Como Funciona um Switch

• table_rows Tabela MAC: Mapeia endereços MAC às portas via aprendizado dinâmico, reduzindo tráfego desnecessário.
• swap_horiz Comutação: Encaminha quadros apenas à porta correta, eliminando colisões em redes full-duplex.
• share Flood: Se o MAC destino é desconhecido, envia o quadro para todas as portas exceto a de origem.

Processo de Aprendizado de um Switch

O switch constrói sua tabela MAC dinamicamente ao receber quadros:

1. Switch recebe quadro na porta X.
2. Verifica endereço MAC de origem.
3. Atualiza tabela MAC: MAC → Porta X.
4. Verifica endereço MAC de destino.
5. Se conhecido, encaminha apenas para a porta correspondente.
6. Se desconhecido, faz flooding.

Hub vs. Switch: Comparação

Diagrama: Hub vs. Switch

Exemplo: Verificar Tabela MAC

Comando Cisco para exibir a tabela MAC após PC1 enviar um quadro para PC2:

Tempo de Envelhecimento

Define quanto tempo um endereço MAC permanece na tabela sem atividade:

Exemplo: Flooding

Se PC1 (00:11:22:33:44:55) envia um quadro para um MAC desconhecido (FF:FF:FF:FF:FF:FF), o switch:

• Registra 00:11:22:33:44:55 em Fa0/1.
• Faz flooding do quadro para Fa0/2, Fa0/3, Fa0/4.
• PC2 (66:77:88:99:AA:BB) responde, e o switch atualiza a tabela com Fa0/2.

Atividade Prática (30 min)

No Packet Tracer, configure uma rede com 1 switch, 3 PCs e 2 VLANs:

1. Conecte PC1 (VLAN 10, 192.168.10.1) a Fa0/1, PC2 (VLAN 10, 192.168.10.2) a Fa0/2, PC3 (VLAN 20, 192.168.20.1) a Fa0/3.
2. Configure VLANs: vlan 10, vlan 20, e associe portas com switchport access vlan.
3. Envie pings de PC1 para PC2 (deve funcionar) e PC1 para PC3 (deve falhar).
4. Execute show mac address-table e anote os MACs aprendidos.
5. Desconecte PC2, aguarde 300s (ou simule com do clear mac address-table dynamic), e verifique a tabela novamente.
6. Altere o tempo de envelhecimento para 600s: mac address-table aging-time 600.

Entregável: Screenshot da topologia, tabela MAC antes/depois, resultados dos pings e configuração do aging-time.

Leitura Recomendada: Kurose §5.4; Tanenbaum §3.3.

Introdução às VLANs

As VLANs (Virtual LANs) dividem uma rede física em redes lógicas, isolando tráfego para melhorar segurança e eficiência. Cada VLAN é um domínio de broadcast separado, mesmo em um único switch (Kurose §5.4).

Tipos de VLAN network_check

• Baseada em Porta: Associa portas físicas do switch a uma VLAN (e.g., Fa0/1 em VLAN 10). Usada em redes simples.
• Baseada em MAC: Associa dispositivos por endereço MAC, permitindo mobilidade entre portas. Complexa, mas flexível.
• Baseada em Protocolo: Filtra por tipo de protocolo (e.g., IP, IPX). Útil em redes heterogêneas.
• Baseada em IP: Associa dispositivos por subrede (e.g., 192.168.10.0/24 em VLAN 10). Ideal para segmentação por departamento.

Comandos Básicos (CLI Cisco)

Configura VLANs e associa portas no modo acesso ou trunk:

Configurando VLAN Nativa

A VLAN nativa transporta quadros sem tag em links trunk. Por padrão, é a VLAN 1, mas pode ser alterada para segurança:

Quadro Ethernet com Tag VLAN (802.1Q)

Topologia de Rede

Exemplo: Verificar VLANs

Comando Cisco para listar VLANs configuradas:

Exemplo: Captura de Tags VLAN

Use Wireshark para identificar quadros com tags VLAN no link trunk:

Atividade Prática (35 min)

No Packet Tracer, configure uma rede com 2 switches e 4 PCs:

1. Crie VLAN 10 (Engenharia), VLAN 20 (Vendas) e VLAN 99 (Native) em ambos os switches.
2. Conecte PC1 (192.168.10.1) e PC3 (192.168.10.2) à VLAN 10, PC2 (192.168.20.1) e PC4 (192.168.20.2) à VLAN 20.
3. Configure Fa0/3 (Switch1) e Gi0/1 (Switch2) como trunk, com VLAN nativa 99.
4. Teste conectividade: ping de PC1 para PC3 (deve funcionar), PC1 para PC2 (deve falhar), PC2 para PC4 (deve funcionar).
5. Execute show vlan brief e show mac address-table em ambos os switches.
6. Capture quadros no link trunk com Wireshark (simulado) e identifique tags VLAN (e.g., VID=10).

Entregável: Screenshots da topologia, configuração CLI, resultados dos pings, tabela MAC e captura Wireshark (simulada).

Leitura Recomendada: Kurose §5.4; Tanenbaum §4.1.

Exemplo: Ataque MAC Flooding security

O ataque MAC flooding inunda a tabela MAC do switch com endereços falsos, sobrecarregando sua capacidade (e.g., 4096 entradas). Isso força o switch a fazer flooding de todos os quadros, como um hub, expondo tráfego a eavesdropping.

Cenário: Um atacante envia quadros com MACs aleatórios (e.g., 00:11:22:XX:XX:XX) via ferramenta como macof. A tabela MAC fica cheia, e o switch inunda quadros para todas as portas.

Mitigação: Port Security

O Port Security limita o número de endereços MAC por porta, bloqueando tráfego não autorizado (IEEE 802.1X, RFC 3580):

Atividade Prática (30 min)

No Packet Tracer, configure uma rede para mitigar MAC flooding e comparar quadros:

1. Crie uma rede com 1 switch, 3 PCs (VLAN 10) e 1 AP (Access Point) conectado a Fa0/4.
2. Configure Port Security em Fa0/1: switchport port-security maximum 2, violation shutdown.
3. Simule um ataque MAC flooding (use múltiplos MACs fictícios no Packet Tracer).
4. Teste conectividade: ping de PC1 (192.168.10.1) para PC2 (192.168.10.2) antes e após o Port Security.
5. Capture quadros no Packet Tracer (ou Wireshark, se disponível): filtro eth para Ethernet e wlan para 802.11.
6. Compare os campos dos quadros (e.g., Ethertype vs. Frame Control).

Entregável: Screenshots da configuração do Port Security, resultados dos pings, e capturas de quadros Ethernet/802.11.

Leitura Recomendada: Kurose §5.4; Tanenbaum §3.3, §4.1; RFC 3580 (IEEE 802.1X), RFC 894 (Ethernet), RFC 5416 (802.11).