Exercícios Rede de Computadores I (27/05/2006)

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGICAS DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA Exercícios Rede de Computadores I (27/05/2006) Marcelo Santos Daibert Juiz de Fora Minas Gerais Brasil 2006

2 1 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO RESOLUÇÃO EXERCÍCIOS QUESTÃO ITEM A ITEM B ITEM C QUESTÃO ITEM A ITEM B QUESTÃO QUESTÃO ITEM A ITEM B ITEM C CONSIDERAÇÕES FINAIS...12

3 2 1 INTRODUÇÃO O presente documento tem como objetivo geral especificar e resolver os exercícios propostos na primeira aula do módulo de Redes de Computadores I do curso de pós graduação latto sensu da Universidade Federal de Viçosa em parceria com o Instituto Metodista Granbery. No segundo capítulo são apresentadas as resoluções dos exercícios bem como sua definição de enunciado. No item 2.1 é proposta uma atividade considerando imagens e vídeos. Já no item 2.2 é apresentado um exercício considerando o modelo de referência TCP/IP. O item 2.3 considera uma escola com dois prédios e pede-se para dimensionar uma rede adequada ao ambiente. Por fim, no item 2.4 é abordado o tema de comutação de pacotes e comutação de mensagens. No último capítulo são apresentadas as considerações finais.

4 3 2 RESOLUÇÃO EXERCÍCIOS 2.1 Questão Item A Considere uma imagem com resolução de 1024x768 pixels e cor de 24bits por pixel. Qual o tempo necessário para transmitir um quadro de imagem com estas características em um link de 56kbps? E se o link fosse de 100Mbps, qual seria o tempo de transmissão?. (Lista Exercícios Goulart, 2006). Imagem: 1024 * 768 * 24 = bits (18Mbits) Modem: 56 * 1024 bits/s = bits/s Link de 100Mbps: 100 * 1024 * 1024 bits/s = bits/s R1. Tempo necessário para transmissão da imagem no modem: T = bits / bits/s = 329,14s R2. Tempo necessário para transmissão da imagem no link de 100Mbps: T = bits / bits/s = 0,18s Item B Um vídeo sem compressão pode ser composto pela exibição de seqüência imagens com as características descritas no item ª Qual deve ser a banda passante de um link para suportar uma transmissão de vídeo compatível com o padrão NTSC que exibe 30 quadros por segundo?. (Lista Exercícios Goulart, 2006). Vídeo: 1024 * 768 * 24 * 30 = bits/s (540Mbps) R. Banda passante necessária para suportar a transmissão do vídeo: 540Mbps

5 Item C Um dos padrões de compressão é o Motion Picture Expert Group (MPEG). Faça uma pesquisa na Internet para descobrir a taxa típica de transmissão do formato de vídeo MPEG.. (Lista Exercícios Goulart, 2006). MPEG1 MPEG2 MPEG4 Tamanho Típico da Imagem 352x240 (Perfil Padrão) 720x480 (L1) 720x480 (L2) Largura de Banda Típica 1,5 Mbps 5Mbps 2Mbps O MPEG1 é um padrão antigo que foi originalmente desenvolvido para comprimir mais ou menos 30 minutos de áudio e vídeo em um CD. Não é bastante rápido para comprimir e descomprimir, mas para o número de bits, ele não contribui muito para a qualidade do vídeo. Normalmente a taxa de bit é em torno de 1 a 1,5 Mbps. Já que a compressão H.263, como é usada na maioria dos sistemas baseados em H.323, produz uma qualidade de imagem melhor com o mesmo processo e menos bits transmitidos, o MPEG1 não é rival para os sistemas de videoconferência. O padrão MPEG2 inclui um esquema de compressão para vídeo freqüentemente utilizado (e de maneira confusa, ele inclui um mecanismo de transporte). Há um número de produtos que usa esse formato para produzir qualidade de imagem razoável (perto das transmissões de TV). Enquanto ele foi desenvolvido para aplicações de transmissão (broadcast), os fornecedores acharam que pelo uso de padrão de definição de vídeo e placas de codificação e decodificação rápidas a latência introduzida permitiria o uso em um ambiente interativo. O MPEG2 é um padrão complexo que inclui muitas variações na resolução e no formato (18 ao todo) que estendem de definições padrão de TV para especificações de alta definição de TV. Ele é o codificador atualmente utilizado em muitos produtos de TVs de consumidores, como DVD players, receptores de satélites para TV e receptores para TV de cabo digital. O MPEG4 é o padrão mais novo (1999) que inclui um codificador de vídeo mais moderno que o usado no MPEG2. Como o MPEG2, ele possui uma grande variedade de perfis que vão desde taxas de bits muito baixas para transmissões wireless (sem cabos) até taxas muito altas para edição e troca de vídeos. Enquanto esse padrão também inclui muitos outros componentes multimídia que não são para vídeos, a tecnologia de compressão está apenas começando a aparecer em produtos baseados em vídeo. Para menores taxas de bits e resolução, ele pode facilmente pode substituir o MPEG2 e pelo mesmo número de bits, fornece uma imagem melhor (ou por menos bits a mesma

6 5 qualidade). Isso talvez não aconteça tão rápido no cenário da TV/broadcast visto que já há muitos receptores e DVD players baseados em MPEG2 nas casas das pessoas. O MPEG4 requer um maior poder de processamento do que o MPEG2 ou MPEG1 para codificar e decodificar, mas mesmo com um processador mais rápido, o que é improvável, que sustente um problema de longo tempo para um trabalho de interação em tempo real. Como com os outros esquemas de compressão, ele foi desenvolvido para aplicações broadcast e streaming, onde a latência não é um problema como é com a videoconferência. Por outro lado, o mais novo codec da série H, o H.264, também é conhecido como promessa MPEG4-10 para fornecer um padrão robusto para ambos os domínios de vídeo. A percepção do padrão, a inclusão de componentes que não são de vídeo e sua flexibilidade para deteriorações graciosas enquanto as condições da rede se deterioram faz dele um candidato promissor para as aplicações de videoconferência futuras. Fonte: Acessado em 28 de maio de Questão 2 Considere o modelo de referência TCP/IP (Internet). Assuma que cada um dos protocolos da pilha usada adicione H bytes de controle (cabeçalho da Unidade de Dados) à informação recebida da aplicação usuária. Suponha que a informação recebida da aplicação usuária tenha tamanho T bytes. (Lista Exercícios Goulart, 2006) Item A Sabendo que o overhead é a relação entre os bytes de controle o total de bytes transmitidos, mostre a expressão geral do overhead para esta pilha de protocolos.. (Lista Exercícios Goulart, 2006). R. Overhead = H / (H + T) Item B Suponha que cada cabeçalho tenha tamanho de 20 bytes. Calcule o overhead para as seguintes situações. 1. o dado recebido da aplicação é um caracter, como em aplicações de acesso remoto; 2. o dado recebido da aplicação é um bloco de arquivo de 1024 bytes como usado no FTP (File Transfer Procol).. (Lista Exercícios Goulart, 2006).

7 6 T = 1 Caracter = 8 bits = 1 byte H = 20 bytes R1. Overhead = 20 / 21 = 0,9523 = 95,23 % T = 1024 bytes H = 20 bytes R2. Overhead = 20 / 1044 = 0,0191 = 1,91 % 2.3 Questão 3 Considere uma escola com 2 prédios separados por uma área de uma quadra poli esportiva com dimensões aproximadas de 80x60m. Os dois prédios irão possuir laboratórios de informática, sendo um deles um prédio histórico com mais de cem anos e o outro um prédio recém construído. Qual a solução para o meio de comunicação que deverá ser utilizada para: 1. Interconectar as máquinas de um mesmo prédio, para cada caso. 2. interconectar os dois prédios. (Lista Exercícios Goulart, 2006). A solução proposta ao problema além de levar em consideração os aspectos e viabilidades técnicas, leva também em consideração a viabilidade econômica. R2. Para interconectar os dois prédios é usada a tecnologia de transmissão de dados sem fio via rádio freqüência, sob o padrão IEEE g. A Figura 2.1 apresenta a solução proposta. Em cada prédio é instalada uma antena de 24dbi, uma apontando para a outra. É utilizado um ponto de acesso (Access Point - AP) compatível com a norma g que provê uma transmissão nominal de 54Mbps. 60m Figura 2.1. Solução de Interligação dos Prédios

8 7 Dependendo da demanda de banda entre a comunicação dos dois prédios, a solução de utilização de rádio freqüência (802.11g) pode-se tornar inadequada. R1. A solução proposta para interligar as máquinas dos laboratórios de cada prédio é em utilizar cabeamento infra-estruturado como exemplifica a Figura 2.2 para o prédio histórico e a Figura 2.3 para o prédio recém construído. Deve-se atentar no projeto, que no prédio histórico não é permitida modificação de suas estruturas. Com isso, todo o cabeamento irá passar nos conduítes já instalados e ou utilizar o recurso de esconde fio junto à parede. Para o caso de passar juntamente com cabos de alta tensão é necessário utilizar cabos categoria 5 blindados. Figura 2.2. Solução de Interligação das Máquinas do Prédio Histórico Figura 2.3. Solução de Interligação das Máquinas do Prédio Recém Construído

9 8 Para dimensionar os equipamentos, patch cords, line cords, cabos de parede, conectores é necessário maiores dados do problema apresentado. 2.4 Questão Item A Qual seria o tempo para se transmitir 100mbytes em uma linha de 1mbps ( de bits por segundo). Considere 2 situações distintas: 1. usando comutação de mensagens e; 2. usando comutação de pacotes. Ambas operando em condições ideais (sem erros). No caso de comutação de pacotes suponha que cada pacote tenha um campo de dados de 1000 bytes. O cabeçalho, tanto para a mensagem quanto para os pacotes é sempre de 20bytes. Considere que o tempo de processamento de pacotes e de mensagens nos roteadores é muito pequeno e pode ser desprezado. Considere também que não existe nenhuma restrição de controle de fluxo (ou seja, a transmissão dos pacotes pode ser contínua). A transmissão será feita passando por k links, cada um com uma taxa de transmissão igual a 1mbps. O atraso de propagação em cada link é de 50ms. Em que situação a comutação de mensagens possuirá um tempo total de transferência menor do que a comutação de pacotes? Em outras palavras, a partir que numero k de links que o esquema de comutação de pacotes começa a ser mais vantajoso do que o esquema de comutação de mensagens.. (Lista Exercícios Goulart, 2006). Legenda: M = Dados (bits) - H = Cabeçalho (bits) - D = Atraso (s) - B = Taxa de Transmissão (bps) - K = Número de Saltos É considerado 1kbyte = 1000 bytes. M = 100Mbytes = 100 * 1000 * 1000 * 8 = bits H = 20 bytes = 20 * 8 = 160 bits D = 50 ms = 0,05 s B = 1Mbps = bits R1. Tempo para Transmitir 100Mbytes em uma linha de 1Mbps usando comutação de mensagens em K saltos. TempoTotal = K * ((M + H) / B) + (K * D) TempoTotal = K * (( ) / ) + (K * 0,05)

10 9 TempoTotal = K * 800, (K * 0,05) R2. Tempo para Transmitir 100Mbytes em uma linha de 1Mbps usando comutação de pacotes em K saltos. Sendo M (Dados) = N (número pacotes) * P (tamanho pacotes). M = N * P = N * 1000bytes (8000 bits) N = TempoTotal = N * ((P + H)/ B) + (K * D) + (K - 1) * ((P + H)/ B) TempoTotal = * (( ) / ) + (K * 0,05) + (K 1) * (( ) / ) TempoTotal = (K * 0,05) + ((K - 1) * 0,00816) R3. Ao ter mais de dois saltos (K >= 2) é mais vantajoso utilizar o esquema de comutação de pacotes, uma vez que a mensagem é muito grande (100 MBytes) Item B Suponha que o protocolo de comunicação utiliza o esquema de pacotes, agora com uma restrição para o tamanho da janela, igual a 8 (no máximo 8 pacotes podem ser transmitidos antes de se receber as confirmações). Sabe-se que os pacotes de confirmação tem apenas o cabeçalho (campo de dados vazio) e que o número de links a serem atravessados é igual a 10, todos de 1mbps. Qual seria o tempo gasto para transferir os mesmos 100Mbytes?. (Lista Exercícios Goulart, 2006). Tempo de Propagação de 1 Pacote de um Link a Outro: M = 1000 bytes = 8000 bits H = 20 bytes = 20 * 8 = 160 bits D = 50 ms = 0,05 s B = 1Mbps = bits K = ) TempoTotal = N * ((P + H)/ B) + (K * D) + (K - 1) * ((P + H)/ B) TempoTotal = 1 * (( ) / ) + (1 * 0,05) + (1 1) * (( ) /

11 10 TempoTotal = 0,05816 s Tempo de Propagação do ACK de um Link a Outro: M = 0 bits H = 20 bytes = 20 * 8 = 160 bits D = 50 ms = 0,05 s B = 1Mbps = bits K = ) TempoTotal = N * ((P + H)/ B) + (K * D) + (K - 1) * ((P + H)/ B) TempoTotal = 1 * (( ) / ) + (1 * 0,05) + (1 1) * (( ) / TempoTotal = 0,05016 s R. O tempo gasto para se transferir os 100MBytes em um ambiente de 10 links a serem atravessados no esquema de comutação de pacotes utilizando janelas deslizantes com número máximo de 8 é: M = 0 bits H = 20 bytes = 20 * 8 = 160 bits D = 50 ms = 0,05 s B = 1Mbps = bits K = 10 TempoTotal = N * ((P + H)/ B) + (K * D) + (K - 1) * ((P + H)/ B) TempoTotal = * (( ) / ) + (10 * 0,05) + (10 1) * (( ) / ) TempoTotal = ,5 + 0,07344 TempoTotal = 816,57344 TempoTotal = 816, RETORNO ÚLTIMO ACK TempoTotal = 816, Item C Para melhorar o desempenho da situação do item B duas propostas foram feitas. 1. Dobrar a velocidade do link; 2. Dobrar o tamanho da janela. Qual das duas seria a melhor alternativa? Justifique a sua resposta (de preferência sem fazer

12 11 contas. Analise as respostas dos itens anteriores).. (Lista Exercícios Goulart, 2006). Em um ambiente ideal, sem falhas, o tempo de retorno do ack é menor do que o tempo de envio de pacote de um ponto ao outro. Com isso, não ocorre tempo de espera para o emissor enviar seus pacotes para o receptor. Portanto dobrar o tamanho da janela não influenciaria em nada neste caso. Já dobrar a velocidade do link iria aumentar o desempenho, uma vez que o tempo de propagação dos pacotes iria ser menor.

13 12 3 CONSIDERAÇÕES FINAIS Foi apresentado neste trabalho os exercícios propostos na disciplina de Redes de Computadores I do curso de Ciência da Computação da pós graduação lato sensu da Universidade Federal de Viçosa em parceria com o Instituto Metodista Granbery do dia vinte e sete de maio de O uso das redes de computadores é cada vez mais importante no desenvolvimento sócio, cultural e tecnológico dos paises e culturas pelo mundo, tornando-se um agente de intercomunicação global e grande responsável pela globalização. Foram abordados neste trabalho os temas: conceitos fundamentais de redes de computadores, camada física, camada de enlace de dados, camada de transporte, meios de transmissão, protocolos, tecnologias e equipamentos de rede.

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