References. Telecommunication Networks Introduction. Analogic Digital DIGITAL, ANALOGICAL. Telemedicina e e-saúde 2010/2011

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1 Telecommunication Networks Introduction Telemedicina e e-saúde 2010/11 Pedro Brandão References These slides are the companions of Computer Networking: A Top Down Approach 5th edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, April 2009 They are based in a selection from Prof Rui Prior for Telemedicina e e-saúde 2008/09 2 Analogic Digital Sampling DIGITAL, ANALOGICAL Images from Wikipedia Quantification 4 Introdução às Redes de Telecomunicação 1

2 A few words on audio compression Audio signal sampling at a fixed rate: o telephone: 8,000 samples/sec o CD: 44,100 samples/sec Each sample is quantized, rounded: o Ex.:, 2 8 =256 possible values Each quantized value is represented by bits o 8 bits for 256 values example: 8,000 samples/sec, 256 quantized values 64,000 bps receiver converts bits back to analog signal: o some quality reduction Example rates CD: Mbps MP3: 96, 128, 160 kbps Internet telephony: 5.3 kbps and up A few words on video compression video: sequence of images displayed at constant rate o e.g. 24 images/sec digital image: array of pixels o each pixel represented by bits redundancy o spatial (within image) o temporal (from one image to next) Examples: MPEG 1 (CD-ROM) 1.5 Mbps MPEG2 (DVD) 3-6 Mbps MPEG4 (often used in Internet, < 1 Mbps) Research: layered (scalable) video o adapt layers to available bandwidth 5 6 Introduction INTRODUCTION Our goal: get feel and terminology more depth, detail later in course approach: o use Internet as example Overview: what s the Internet? what s a protocol? network edge; hosts, access net, physical media network core: packet/circuit switching, Internet structure performance: loss, delay, throughput protocol layers, service models 8 Introdução às Redes de Telecomunicação 2

3 Summary 1.1 What is the Internet? 1.2 Network edge end systems, access networks, links 1.3 Network core circuit switching, packet switching, network structure 1.4 Delay, loss and throughput in packet-switched networks 1.5 Protocol layers, service models What s the Internet: under the hood PC server Wireless laptop Cellular phone Acess points Wired links router millions of connected computing devices: hosts = end systems o running network apps communication links fiber, copper, radio, satellite transmission rate = bandwidth routers: forward packets (chunks of data) Mobile Network Home Network Global ISP Regional ISP Institutional Network 9 10 What s the Internet: under the hood Network Equipment What s the Internet: under the hood Network Equipment Hub (out-of-date) LAN Switches Access Point Firewall Modular server Router Router 11 Server 12 Introdução às Redes de Telecomunicação 3

4 What s the Internet: under the hood What s the Internet: under the hood Data centre Data centre What s the Internet: under the hood What s the Internet: a service view protocols control sending, receiving of msgs o e.g., TCP, IP, HTTP, Skype, Ethernet Internet: network of networks o loosely hierarchical o public Internet versus private intranet Internet standards o RFC: Request for comments o IETF: Internet Engineering Task Force Mobile network Home network Global ISP Regional ISP Institutional Network communication infrastructure enables distributed applications: o Web, VoIP, , games, e-commerce, file sharing, telemedicine communication services provided to apps: o reliable data delivery from source to destination o best effort (unreliable) data delivery Mobile network Home network Global ISP Regional ISP Institutional Network Introdução às Redes de Telecomunicação 4

5 What s a protocol? What s a protocol? human protocols: what s the time? I have a question introductions specific messages sent specific actions taken when messages received, or other events network protocols: machines rather than humans all communication activity in Internet governed by protocols protocols define format, order of messages sent and received among network entities, and actions taken on messages transmission, receipt a human protocol and a computer network protocol: Hi Hi Got the time? It s 2:00 time TCP connection request TCP connection response GET <ficheiro> Summary A closer look at network structure: 1.1 What is the Internet? 1.2 Network edge end systems, access networks, links 1.3 Network core circuit switching, packet switching, network structure 1.4 Delay, loss and throughput in packet-switched networks 1.5 Protocol layers, service models network edge: applications and hosts access networks, physical media: wired, wireless communication links network core: o interconnected routers o network of networks Introdução às Redes de Telecomunicação 5

6 The network edge: Access networks and physical media end systems (hosts): o run application programs o e.g. Web, o at edge of network client/server model o client host requests, receives service from always-on server o e.g. Web browser/server; client/server peer-peer model: o minimal (or no) use of dedicated servers o e.g. Skype, BitTorrent p2p c/s Q: How to connect end systems to edge router? residential access nets institutional access networks (school, company) mobile access networks Keep in mind: bandwidth (bits per second) of access network? shared or dedicated? Residential access: point to point Modem connection o Uses existing telephony infrastructure Home is connected to central office o up to 56Kbps direct access to router (often less) o Can t surf and phone at same time: not always on DSL: Digital Subscriber Line o Also uses existing telephone infrastructure o up to 1 Mbps upstream (today typically < 256 kbps) o up to 8 Mbps downstream (today typically < 1 Mbps) o dedicated physical line to telephone central office Residential access: cable modems HFC: hybrid fiber coaxial o asymmetric: up to 30Mbps downstream, 2 Mbps upstream o network of cable and fiber attaches homes to ISP router o homes share access to router unlike DSL, which has dedicated access o Usually supplied by cable TV companies Introdução às Redes de Telecomunicação 6

7 Cable Network Architecture: Overview server(s) Cable Network Architecture: Overview FDM (more shortly): V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O C O V N I D D T D A A R E T T O O A A L Channels cable headend cable headend cable distribution network (simplified) home Typically 500 to 5,000 homes cable distribution network (simplified) home Typically 500 to 5,000 homes Cable Network Architecture: fiber optics Active (AON) or passive (PON) Commercial offers from tenths of Mbps up to 1Gbps Local Area Networks local area network (LAN) connects terminals to routers Ex.: Ethernet: o 10 Mbs, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps o Usual configuration: terminals connect to Ethernet switch Source: Images from Wikipedia Introdução às Redes de Telecomunicação 7

8 Wireless access networks Home Networks shared wireless access network connects end system to router router o via base station aka access point wireless LANs: base o b/g (WiFi): 11 or 54 Mbps station o n: upto 600 Mbps wider-area wireless access o provided by telco operator o ~1Mbps over cellular system (EVDO, HSDPA) o next up: WiMAX (10 s Mbps) over wide area mobile hosts Typical home network components: DSL or cable modem router/firewall/nat Ethernet Wireless access point To/from central modem router/ firewall Ethernet Wireless Access point Wireless laptops Physical Media Physical Media: coax, fiber Bit: propagates between transmitter/rcvr pairs physical link: what lies between transmitter & receiver guided media: o signals propagate in solid media: copper, fiber, coax unguided media: o signals propagate freely, e.g., radio Twisted Pair (TP) two insulated copper wires o Category 3: traditional phone wires, 10 Mbps Ethernet o Category 5: 100Mbps Ethernet Coaxial cable: two concentric copper conductors bidirectional baseband: o single channel on cable o legacy Ethernet broadband: o multiple channels on cable o HFC Fiber optic cable: glass fiber carrying light pulses, each pulse a bit high-speed operation: high-speed point-to-point transmission (e.g., 10 s-100 s Gps) low error rate: repeaters spaced far apart ; immune to electromagnetic noise Introdução às Redes de Telecomunicação 8

9 Physical media: radio signal carried in electromagnetic spectrum no physical wire bidirectional propagation environment effects: o reflection o obstruction by objects o interference Radio link types: terrestrial microwave o e.g. up to 45 Mbps channels LAN (e.g., Wifi) o 11Mbps, 54 Mbps wide-area (e.g., cellular) o 3G cellular: ~ 1 Mbps Satellite o Kbps to 45Mbps channel (or multiple smaller channels) o 270 msec end-end delay o geosynchronous versus low altitude Sumário 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede (edge) terminais, redes de acesso, ligações 1.3 Núcleo da rede (core) comutação de circuitos, comutação de pacotes estrutura da rede 1.4 Atrasos, perdas e débito em redes de comutação de pacotes 1.5 Camadas protocolares, modelos de serviço O Núcleo da Rede rede emalhada de routers interligados transferência de dados através da rede: o comutação de circuitos: um circuito dedicado por chamada: rede telefónica o comutação de pacotes: dados enviados através da rede partidos em pedaços Núcleo da Rede: Comutação de Circuitos Caminho reservado entre dois terminais o Sequência de ligações préestabelecida entre vários nós (e.g., rede telefónica) A comunicação envolve três fases distintas o Estabelecimento do circuito. o Transferência de dados. o Desconexão do circuito Introdução às Redes de Telecomunicação 9

10 Núcleo da Rede: Comutação de Circuitos Desenvolvidos para a transmissão de voz Inteligência da comunicação reside na rede Recursos dedicados para cada chamada o Não há partilha (desperdício de capacidade) o Desempenho garantido Boas taxas de utilização para voz Alguém fala durante a maior parte do tempo Para dados o Linha inactiva durante a maior parte do tempo o Capacidade de transmissão de dados constante Divisão da capacidade em parcelas o No domínio dos tempos (TDM) o No domínio das frequências (FDM) Comutação de Circuitos : FDM e TDM Exemplo: FDM 4 utilizadores frequência tempo TDM frequência tempo Exemplo numérico Quanto demora a enviar um ficheiro de bits do terminal A para o terminal B numa rede de comutação de circuitos? o Todas as ligações são de 1,536 Mbps o Cada ligação usa TDM com 24 slots/s o 500 ms para estabelecer o circuito extremo-aextremo 1536Mbps 64kbps 24 10s + 500ms = 10,5s bits 10s 64kbps * Na prática, há que somar a este atraso o tempo de propagação Núcleo da Rede: Comutação de Pacotes Dados da aplicação Rede de comutação de pacotes Pacote = pedaço de dados + informação de controlo (cabeçalho) Dados da aplicação Introdução às Redes de Telecomunicação 10

11 Núcleo da Rede: Comutação de Pacotes ideia: dividir o fluxo de dados extremo-a-extremo em pequenos pedaços (pacotes) pacotes de diferentes utilizadores partilham os recursos de rede cada pacote usa a capacidade total da ligação recursos usados conforme a necessidade Divisão fixa da capacidade da rede Afectação de recursos a fluxos Reserva de recursos contenção no acesso aos recursos: a procura de recursos não pode exceder a oferta disponível congestionamento: pacotes colocados em filas à espera de poder usar a ligação store and forward: os pacotes são transferidos salto-a-salto o Cada nó recebe o pacote completo antes de o reenviar Núcleo da Rede: Comutação de Pacotes Cada Pacote é tratado de forma independente: Não existe relação com os pacotes que o precedem Cada nó escolhe para cada pacote o próximo salto Pacotes para o mesmo destino não seguem necessariamente a mesma rota (embora normalmente sigam) Podem chegar fora de ordem o A máquina de destino repõe a ordem original Podem perder-se ou danificarem-se pacotes em trânsito As máquinas de origem e de destino encarregam-se de detetar e corrigir estas situações Comutação de Pacotes: Multiplexagem Estatística Comutação de Pacotes: store-and-forward A Ethernet 100 Mb/s multiplexagem estatística C L R R R B fila de pacotes à espera de poder ser enviados D 1.5 Mb/s A sequência de pacotes de A e B não tem um padrão fixo, a capacidade é distribuída consoante a necessidade no momento multiplexagem estatística. Por comparação, no TDM cada emissor usa sempre a mesma fatia da trama, e a sequência de fatias repete-se consecutivamente E um pacote de L bits demora L/R segundos a ser transmitido (inserido) numa ligação de R bps store and forward: cada pacote tem de ser recebido na sua totalidade pelo router antes que este o possa transmitir na ligação seguinte atraso = 3L/R (assumindo atraso de propagação nulo) 43 Exemplo: L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps atraso de transmissão = 15 sec 44 Introdução às Redes de Telecomunicação 11

12 Comutação de pacotes vs. comutação de circuitos A comutação de pacotes permite ter mais utilizadores na rede! ligação de 1 Mb/s cada utilizador: o 100 kb/s quando activo o activo 10% do tempo N utilizadores comutação de circuitos: o 10 utilizadores comutação de pacotes: o com 35 utilizadores, a probabilidade de ter > 10 activos em simultâneo é < Mbps 45 Pacotes vs. Circuitos óptima para dados em rajadas (bursty) o partilha de recursos o simples, sem estabelecimento prévio de chamada Será a comutação de pacotes uma panaceia? congestionamento: atrasos e perdas de pacotes o são necessários protocolos para conseguir transmissão de dados fiável e controlar o congestionamento P: Como obter desempenho semelhante aos circuitos? garantias de capacidade para fluxos audio/vídeo problema ainda por resolver 46 Internet: uma rede de redes A Internet é constituída por Backbones: infraestruturas de interligação de redes, como o NSFNET, nos EUA, GÉANT na Europa, bem como backbones de operadores comerciais como a PT Redes regionais, ligando, por exemplo universidades e institutos de investigação, e.g., FCCN Redes comerciais, por exemplo, para uso interno ou para fornecimento de serviços a assinantes, com ligações à Internet, e.g., PT, CLIX, ZON, VODAFONE Redes locais RCTS (Rede Ciência, Tecnologia e Sociedade) Rede de investigação e ensino nacional Plataforma de comunicação para que investigadores, professores e alunos portugueses tenham acesso a uma rede capaz de fazer face às exigentes necessidades desta comunidade Introdução às Redes de Telecomunicação 12

13 GÉANT Rede pan-europeia de investigação e educação Interliga a RCTS e as congéneres de 30 países europeus Núcleo a 10Gbps, ligações a partir de 155Mbps Internet: uma rede de redes Um fluxo de pacotes atravessa muitas redes Rede móvel Rede doméstica Rede institucional ISP global ISP regional Sumário 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede (edge) terminais, redes de acesso, ligações 1.3 Núcleo da rede (core) comutação de circuitos, comutação de pacotes estrutura da rede 1.4 Atrasos, perdas e débito em redes de comutação de pacotes 1.5 Camadas protocolares, modelos de serviço Como ocorrem os atrasos e perdas? os pacotes são colocados em filas de espera nos routers taxa de chegada de pacotes à ligação de saída excede a sua capacidade os pacotes ficam na fila, à espera da sua vez A B pacote a ser transmitido (atraso) pacotes na fila de espera (atraso) espaço livre na fila: se não existir espaço livre quando chega um pacote, ele é eliminado (perdas) Introdução às Redes de Telecomunicação 13

14 Quatro Fontes de Atraso Quatro Fontes de Atraso 1. Processamento nos nós: o verificação de erros o determinação da ligação saída A 2. Filas de espera o tempo de espera pela transmissão na ligação de saída o depende do nível de congestionamento do router 3. Atraso de transmissão: R= capacidade da ligação (bps) (rate) L= comprimento do pacote (bits) (length) tempo para colocar os bits no link = L/R A transmissão propagação 4. atraso de propagação: d = comprimento do meio físico (distância) s = velocidade de propagação no meio (~2x10 8 m/s) atraso de propagação = d/s Nota: s e R são coisas muito diferentes! B processamento nos nós filas de espera 53 B Exemplo 54 Atraso nos nós d nó d proc d trans d proc = atraso de processamento o tipicamente alguns microssegundos (ou menos) d fila = atraso na fila de espera o depende do congestionamento d trans = atraso de transmissão o = L/R, significativo em ligações de baixa capacidade d prop = atraso de propagação o desde alguns microssegundos a centenas de milissegundos fila d d prop 55 Perdas de pacotes fila de espera tem capacidade finita um pacote que chegue e encontre a fila cheia é eliminado (perde-se) um pacote perdido pode ser retransmitido pelo nó anterior ou pelo nó de origem, ou não ser retransmitido A B fila de espera pacote a transmitir um pacote que encontra a fila cheia vai perder-se 57 Introdução às Redes de Telecomunicação 14

15 Débito débito: taxa (bits/unidade de tempo) à qual os bits são transferidos entre o emissor e o receptor o instantâneo: débito num instante específico o médio: débito ao longo de períodos de tempo mais alargados Débito R s < R c Qual é o débito médio? R s bits/s R s > R c Qual é o débito médio? R s bits/s R c bits/s R c bits/s servidor com envia ficheiro bits (fluido) de F bits através a enviar do ao tubo cliente ligação de estrangulamento capacidade tubo capaz da ligação de tubo capacidade capaz da de ligação transportar ligação ao longo do caminho que limita o débito do fluxo transportar R s bits/s fluido com fluido com R c bits/s débito R c (bits/s) débito R s (bits/s) Débito: um cenário na Internet Sumário P: débito por conexão? o min(r c,r s,r/10) na prática: R c ou R s são frequente/ as ligações de estrangulamento R s R c 10 conexões partilham (de forma justa) a capacidade da ligação de backbone, R bits/s R s R c R R s R c 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede (edge) terminais, redes de acesso, ligações 1.3 Núcleo da rede (core) comutação de circuitos, comutação de pacotes estrutura da rede 1.4 Atrasos, perdas e débito em redes de comutação de pacotes 1.5 Camadas protocolares, modelos de serviço Introdução às Redes de Telecomunicação 15

16 Camadas Protocolares As redes são complexas! Muitas peças : o terminais o routers o ligações de diferentes tipos o aplicações o protocolos o hardware, software 62 Envio de Correspondência Aviso Recepção Registo Rua, Número Código Postal Código Postal Dist. Regional Rua, Número Código Postal Dist. Local Aviso Recepção Registo Rua, Número Código Postal Cada camada usa a anterior acrescentando algo: o Precisão endereço o Serviços extras (fiável, aviso de recepção) 63 Porquê estruturar em camadas? Pilha protocolar da Internet Lidar com sistemas complexos: Uma estrutura explícita permite a identificação e o relacionamento de diferentes peças do sistema o modelo de referência para discussão A modularização facilita a manutenção e actualização do sistema o Alterações na implementação de uma camada são transparentes para o resto do sistema aplicação: aplicações em rede o FTP, SMTP, HTTP transporte: transferência de dados entre processos o TCP, UDP rede: encaminhamento dos data-gramas entre a origem e o destino o IP, protocolos de encaminhamento ligação lógica: transferência de dados entre elementos de rede adjacentes o PPP, Ethernet ligação física: bits no cabo Aplicação Transporte Rede Lógica Física Introdução às Redes de Telecomunicação 16

17 messagem M segmento C t M datagrama C n C t M trama C l C n C t M origem aplicação transporte rede lig. lógica lig. física Encapsulamento link physical switch C t C n C t C l C n C t M M M M destino aplicação transporte rede lig. lógica lig. física C n C t C l C n C t M M network link physical C n C t M router FIM DA INTRODUÇÃO ÀS REDES DE COMUNICAÇÃO DE DADOS 67 Introdução às Redes de Telecomunicação 17