Introdução a Redes de Computadores. Prof. M. Sc. Isac Ferreira

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1 Introdução a Redes de Computadores Prof. M. Sc. Isac Ferreira

2 O que é a Internet: visão dos componentes milhões de dispositivos de computação conectados: hospedeiros - sistemas terminais PCs, estações, servidores PDAs, telefones, torradeira executando aplicações de rede enlaces de comunicação fibra ótica, fio de cobre, ondas de rádio e satélite, cabo coaxial roteadores: encaminham pacotes (blocos) de dados através da rede roteador workstation ISP local Rede da empresa servidor móvel ISP regional

3 O que é a Internet: visão dos componentes protocolos: controla o envio e recepção de mensagens ex., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP Internet: rede de redes livremente hierárquica Internet pública versus intranet privada (intranet - redes corporativas, governamentais) Padrões da Internet IETF: Internet Engineering Task Force RFC: Request for comments roteador workstation ISP local Rede corporativa servidor móvel ISP regional

4 O que é a Internet: visão dos serviços infra-estrutura de comunicação que permite o uso de aplicações distribuídas: WWW, , jogos, comércio eletrônico, compartilhamento de arquivos, correio eletrônico serviços de comunicação disponibilizados: não confiável sem conexões (nenhuma garantia quanto à entrega final dos dados) Confiável orientado à conexões

5 O que é um protocolo? um protocolo humano e um protocolo de rede: Oi Oi Que horas são? 2:00 tempo Ex. requisição a um servidor WEB TCP connection req. TCP connection reply. Get <arquivo> protocolo de rede implementado em hardware (placas de rede) ou software (computador, roteador)

6 O que é um protocolo? protocolos humanos: que horas são? tenho uma dúvida Apresentações oi msgs específicas são enviadas ações específicas são realizadas quando as msgs são recebidas, ou acontecem outros eventos Protocolos de rede: máquinas ao invés de pessoas todas as atividades de comunicação na Internet são governadas por protocolos protocolos definem o formato, ordem das msgs enviadas e recebidas pelas entidades da rede, e ações tomadas quando da transmissão ou recepção de msgs

7 Uma olhada mais de perto na estrutura da rede: Periferia da rede: aplicações e sistemas finais ou hospedeiros (hosts) PCs, servidores, PDAs, celulares, Smartphone núcleo da rede: Malha de roteadores rede de redes redes de acesso, meio físico: enlaces de comunicação

8 A periferia da rede: Sistemas finais (hosts): rodam programas de aplicação ex., WWW, na borda da rede modelo cliente/servidor o host cliente faz os pedidos, são atendidos pelos servidores Ex. cliente WWW (browser)/servidor Web; cliente/servidor de modelo entre pares - peer to peer (P2P): uso mínimo (ou nenhum) de servidores dedicados Usuário é cliente e servidor ex.: Skype, BitTorrent, KaZaA, emule

9 Borda da rede: serviço orientado à conexões Objetivo: transferência de dados entre sistemas finais. handshaking: inicialização prepara para a transf. de dados Alô, alô protocolo humano inicializa o estado em dois hosts que desejam se comunicar TCP - Transmission Control Protocol serviço orientado à conexão da Internet serviço TCP [RFC 793] transferência de dados através de um fluxo de bytes ordenados e confiável perda: reconhecimentos e retransmissões controle de fluxo : transmissor não inundará o receptor controle de congestionamento : transmissor diminui a taxa de transmissão quando a rede está congestionada.

10 Borda da rede: serviço não orientado à conexão Objetivo: transferência de dados entre sistemas finais mesmo que antes! UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: serviço sem conexão transferência de dados não confiável não controla o fluxo nem congestionamento Aplicações que usam TCP: HTTP (WWW), FTP (transferência de arquivo), Telnet (login remoto), SMTP ( ) Aplicações que usam UDP: streaming media (transmissão de áudio e vídeo na Internet), teleconferência, telefonia via Internet (VoIP, Skype) FTP File Transfer Protocol; SMTP-Simple Mail Transfer Protocol HTTP - Hypertext Transfer Protocol

11 O Núcleo da Rede Malha de roteadores interconectados Questão fundamental: como os dados são transferidos através da rede? comutação de circuitos: circuito dedicados em cada chamada: rede telefônica comutação de pacotes: os dados são enviados através da rede em pedaços discretos.

12 Núcleo da Rede: Comutação de Circuitos Recursos fim a fim são reservados para a chamada. Banda do enlace, capacidade dos comutadores recursos dedicados: sem compartilhamento desempenho tipo circuito (garantido) necessita estabelecimento de conexão

13 Núcleo da Rede: Comutação de Circuitos recursos da rede (ex., banda) são divididos em pedaços pedaços alocados às chamadas o pedaço do recurso fica ocioso se não for usado pelo seu dono (não há compartilhamento) como é feita a divisão da banda de um canal em pedaços (multiplexação) FDM Frequency Division Multiplexing -divisão de freqüência TDM Time Division Multiplexing - divisão de tempo

14 Comutação de Circuitos: FDM e TDM FDM Exemplo: 4 usuários freqüência TDM tempo freqüência tempo

15 Núcleo da Rede: Comutação de Pacotes Cada fluxo de dados fim a fim é dividido em pacotes pacotes dos usuários A, B compartilham os recursos da rede cada pacote usa toda a banda do canal(taxa de transmissão total do link) recursos são usados quando necessário, Divisão da banda em pedaços Alocação dedicada Reserva de recursos Disputa por recursos: a demanda total pelos recursos pode superar a quantidade disponível congestionamento: pacotes são enfileirados, esperam para usar o enlace armazena e retransmite: pacotes se deslocam uma etapa por vez transmite num enlace espera a vez no próximo

16 Comutação de pacotes versus comutação de circuitos A comutação de pacotes será sempre melhor? Ótima para dados em rajadas compartilhamento dos recursos não necessita estabelecimento de conexão Congestionamento excessivo: atraso e perda de pacotes necessita de protocolos para transferência confiável de dados, controle de congestionamento P: Como fornecer um comportamento do tipo circuito? São necessárias garantias de banda para aplicações de áudio e vídeo ainda é um problema não resolvido (cap. 6/7)

17 Redes comutadas por pacotes: encaminhamento (forwarding) Objetivo: mover pacotes entre roteadores da origem até o destino serão estudados algoritmos de escolha de caminhos (cap. 4) Redes de datagramas: o endereço do sistema final de destino determina próxima etapa (endereçamento com estrutura hierárquica) os pacotes são encaminhados independentemente, oferecendo flexibilidade e robustez superiores (já que a rede pode reajustarse mediante a quebra de um link) rotas podem mudar durante a sessão Redes de circuitos virtuais: cada pacote contém uma marca (ID do circuito virtual), marca determina próxima etapa caminho virtual fixo determinado no estabelecimento da chamada, permanece fixo durante a chamada todos os pacotes seguirão o mesmo caminho

18 Taxonomia de Redes (Núcleo) Redes de Telecomunicações Redes comutadas por circuitos Redes comutadas por pacotes FDM TDM Redes com CVs Redes datagrama Redes com CVs (Ex, ATM Asynchronous Transfer Mode) Redes datagrama (Ex. IP)

19 Redes de acesso e meios físicos P: Como conectar os sistemas finais aos roteadores da periferia? Redes de acesso residencial Redes de acesso corporativo (universidade, empresa) Redes móveis de acesso Considere: largura de banda (bits por segundo) da rede de acesso compartilhada ou dedicada ISP local Rede corporativa ISP regional

20 Acesso residencial: acesso ponto a ponto Discado (Dialup) via modem acesso direto ao roteador de até 56Kbps (teoricamente) Não dá para surfar e telefonar ao mesmo tempo! RDSI/ISDN: rede digital de serviços integrados: conexão digital de 128Kbps ao roteador. 2 linhas de 64Kbps (Internet e/ou telefone) Serviço Multilink da Telefônica em SP. Serviço DVi (Digital Voice Image) da Telemar. ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line linha digital assimétrica de assinante até 1 Mbps casa-ao-roteador (upload) até 8 Mbps roteador-para-casa (download) o FDM: 50 khz-1 MHz download 4 khz - 50 khz upload 0 khz - 4 khz telefonia

21 Acesso residencial: cable modems HFC: hybrid fiber coax (rede híbrida - fibra óptica e cabo coaxial) assimétrico: até 30Mbps descida (downstream), 2 Mbps subida (upstream). rede de cabos e fibra conectam as residências ao roteador do provedor de acesso (ISP) acesso compartilhado ao roteador pelas residências questões: congestionamento, dimensionamento implantação: disponível através de empresas de TV a cabo, ex.: VIRTUA (Net)

22 Acesso institucional: redes locais rede local (LAN - Local Area Network) da empresa/univ. conecta sistemas finais ao roteador de periferia Ethernet: cabos compartilhados ou dedicados conectam o sistema final ao roteador de periferia (pacotes com destino externos à LAN) 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet, Terabit Ethernet

23 Redes de acesso sem fio (wireless) rede de acesso compartilhado sem fio conecta o sistema final ao roteador roteador Via estação base = ponto de acesso LANs sem fio: (dezenas de metros) ondas de rádio substituem os fios b/g (WiFi): 11 Mbps ou 54 Mbps acesso sem fio com maior cobertura (dezenas de quilômetros) Provido por uma operadora de telecomunicações 3G ~ 384 Kbps (móvel) e 2Mbps (fixo) EDGE, CDMA2000, WCDMA (3G - cobra volume de dados) GPRS (2,5G 70Kbps-) WAP (2G cobra tempo de conexão) estação base hosts móveis

24 Redes domésticas Componentes típicos da rede doméstica: ADSL ou cable modem (acesso banda larga à Internet) roteador/firewall/nat Ethernet Ponto de acesso wireless (estação base) de/para Terminal da operadora (Cable Headend) cable modem roteador/ firewall Ethernet (pacotes comutados) Ponto de acesso wireless Laptops wireless Firewall política de segurança, filtro de pacotes NAT Network Address Translation - traduz IP local para IP do roteador

25 Meios Físicos Bit: Propaga-se entre o transmissor e o receptor enlace físico: o que está entre o transmissor e o receptor meios guiados: os sinais se propagam em meios sólidos: cobre, fibra meios não guiados: os sinais se propagam livremente, ex. rádio Par Trançado (TP - Twisted Pair) dois fios de cobre isolados Categoria 2: telefonia Categoria 3: fios tradicionais de telefonia, 10 Mbps Ethernet Categoria 5: 100Mbps Ethernet Categoria 6: 1Gbps Ethernet Categoria 7: 10Gbps Ethernet STP - shielded UTP - unshielded

26 Meios físicos: cabo coaxial, fibra Cabo coaxial: fio (transporta o sinal) dentro de outro fio (blindagem) bidirecional banda básica (baseband): canal único no cabo sem Modulação LAN sinal digital banda larga (broadband): múltiplos canais num cabo Com modulação LAN e TV sinal analógico HFC Cabo de fibra óptica: fibra de vidro transporta pulsos de luz opera em alta velocidade: transmissão ponto a ponto de alta velocidade (ex., 10 s Gbps 100 s Gbps) baixa taxa de erros: repetidores mais afastados; imune a ruído eletromagnético

27 Meios físicos: rádio sinal transportado em ondas eletromagnéticas não há fio físico bidirecional efeitos do ambiente de propagação: reflexão obstrução por objetos interferência Tipos de enlaces de rádio: microondas ex.: canais de até 45 Mbps LAN (ex., Wifi) 11Mbps, 54 Mbps longa distância (ex., celular) ex. 3G, 100 s kbps satélite canal de até 50Mbps (ou múltiplos canais menores) atraso fim a fim de 270 mseg Geoestacionário versus satélites de baixa altitude

28 Estrutura da Internet: rede de redes um pacote passa através de diversas redes! local ISP Tier 3 ISP Tier-2 ISP local ISP Tier 1 ISP local ISP Tier-2 ISP local ISP local ISP Tier 1 ISP Tier-2 ISP local ISP Tier 1 ISP Tier-2 ISP local ISP Tier-2 ISP local ISP

29 Como ocorrem as perdas e atrasos? pacotes enfileiram nos buffers do roteador taxa de chegada de pacotes ao enlace excede a capacidade do link de saída. pacotes enfileram, esperam pela vez pacote em transmissão (atraso) A B enfileiramento de pacotes (atraso) buffers livres (disponíveis): pacotes que chegam são descartados (perda) se não houver buffers livres

30 Quatro fontes de atraso dos pacotes 1. processamento no nó: verificação de bits errados identificação do enlace de saída (análise do cabeçalho) atraso da ordem de microssegundos 2. enfileiramento tempo de espera no enlace de saída até a transmissão depende do nível de congestionamento do roteador A transmissão propagação B processamento no nó enfileiramento

31 Atraso em redes comutadas por pacotes 3. Atraso de transmissão: R = largura de banda do enlace (bps) L =compr. do pacote (bits) tempo para colocar os bits no enlace (tempo de acesso ao meio físico do pacote) = L/R 4. Atraso de propagação: d = compr. do enlace s = velocidade de propagação no meio (~2x10 8 m/seg) atraso de propagação = d/s A transmissão propagação B processamento no nó enfileiramento

32 Atraso no nó d nó d proc d enfil d trans d prop d proc = atraso de processamento tipicamente de poucos microssegs ou menos d queue = atraso de enfileiramento depende do congestionamento d trans = atraso de transmissão = L/R, significativo para canais de baixa velocidade d prop = atraso de propagação poucos microsegs a centenas de msegs

33 Atrasos e rotas reais da Internet Como são os atrasos e as perdas reais da Internet? Programa Traceroute : fornece medições de atraso da fonte até os diversos roteadores ao longo do caminho fim-a-fim até o destino. Para cada i: Envia três pacotes que alcançarão o roteador i no caminho até o destino. O roteador i devolverá os pacotes ao transmissor O transmissor calcula o intervalo de tempo decorrido entre a transmissão e a chegada da resposta. 3 probes 3 probes 3 probes

34 Perda de pacotes fila (buffer) anterior a um canal possui capacidade finita quando um pacote chega numa fila cheia, o pacote é descartado (perdido) o pacote perdido pode ser retransmitido pelo nó anterior, pelo sistema origem, ou não ser retransmitido

35 Camadas de Protocolos As redes são complexas! Muitos componentes: hospedeiros roteadores enlaces de diversos meios aplicações protocolos hardware, software Pergunta: Há alguma esperança em conseguirmos organizar a estrutura da rede?

36 Organização de uma viagem aérea bilhete (compra) bagagem (check in) portão (embarque) subida bilhete (reclamação) bagagem (recup.) portão (desembarque) aterrissagem roteamento do avião roteamento do avião roteamento do avião uma série de etapas

37 Funcionalidade de uma empresa aérea em camadas bilhete (compra) bilhete (reclam.) bilhete bagagem (desp.) bagagem (recup.) bagagem portão (embarque) portão (desembq) portão pista (subida) pista (aterriss.) Subida/aterris. roteamento avião roteam. avião roteam. avião roteamento avião Roteam.avião Aeroporto de partida centros de controle de tráfego aéreo intermediários Aeroporto de chegada Camadas: cada camada implementa um serviço através de ações internas à camada depende dos serviços providos pela camada inferior

38 Por que dividir em camadas? Lidar com sistemas complexos: estrutura explícita permite a identificação e relacionamento entre as partes do sistema complexo modelo de referência em camadas para discussão modularização facilita a manutenção e atualização do sistema mudança na implementação do serviço da camada é transparente para o resto do sistema ex., mudança nos procedimentos dos portões de embarque não alteram o resto do sistema divisão em camadas é considerada prejudicial? Desvantagem potencial: duplicação de funcionalidades

39 Pilha de protocolos Internet aplicação: dá suporte a aplicações de rede FTP, SMTP, HTTP Quase sempre software transporte: transferência de dados host-ahost TCP, UDP Quase sempre software rede: roteamento de datagramas da origem até o destino IP, protocolos de roteamento Misto de hardware e software enlace: transferência de dados entre elementos de rede vizinhos PPP, Ethernet Placa de interface de rede física: bits no fio aplicação transporte rede enlace física

40 Camadas de Protocolo - Princípios cada camada corresponde a um nível de abstração necessário no modelo; cada camada possui funções próprias e bem definidas; as funções de cada camada foram escolhidas segundo a definição dos protocolos normatizados internacionalmente; as fronteiras entre camadas devem ser definidas de modo a minimizar o fluxo de informação nas interfaces; o número de camadas deve ser suficientemente grande para que funções distintas não precisem ser colocadas na mesma camada e, ao mesmo tempo, suficientemente pequeno que não torne a arquitetura difícil de controlar.

41 Camadas: comunicação lógica Cada camada: é distribuída as entidades implementam as funções das camadas em cada nó as entidades executam ações, trocam mensagens entre parceiras aplicação transporte rede enlace física aplicação transporte rede enlace física aplicação transporte rede enlace física rede enlace física aplicação transporte rede enlace física

42 Camadas: comunicação lógica Ex.: transporte recebe dados da aplicação adiciona endereço e verificação de erro para formar o segmento envia o segmento para a parceira espera que a parceira acuse o recebimento (ack) dados aplicação transporte rede enlace física transporte aplicação transporte rede enlace física TCP orientado a conexão segmenta e junta, manda e recebe, controle de fluxo para a aplicação UDP sem conexão mais simples e mais direto ack dados aplicação transporte rede enlace física rede enlace física dados aplicação transporte rede enlace física transporte

43 Camadas: comunicação física dados aplicação transporte rede enlace física aplicação transporte rede enlace física existem vários protocolos de enlace PPP (point-to-point protocol) e ethernet são os principais PPP é usado numa conexão discada na internet Ethernet numa rede local acessando a internet Físico par trançado, fibra, coax, etc. aplicação transporte rede enlace física rede enlace física dados aplicação transporte rede enlace física

44 mensagem segmento datagrama quadro H t H n H t H l H n H t M M M M origem aplicação transporte rede enlace física Encapsulamento enlace física H l H n H t M H l H n H t M switch H l H n H n H t H t H t M M M M destino aplicação transporte rede enlace física H l H n H n H t H t M M rede enlace física H l H n H n H t H t M M roteador

45 Evolução do Número de Hosts

46 Evolução do Número de Web sites

47 Internet/BR A Rede Nacional de Pesquisa (RNP) teve início em 1989 pelo MCT. Conexão gratuita para instituições de ensino e pesquisa Abertura da Internet comercial no Brasil em 1995 Posição absoluta do Brasil (Network Wizards, 01/04): Número de hosts: o do Mundo 3 o das Américas (México em 15 o lugar com ) 1 o da América do Sul (Argentina em 22 o lugar com ) 14,1 milhões de internautas residenciais no Brasil(2006) 19 milhões de internautas no Brasil(2007) 1 bilhão de internautas no mundo (2006)

48 Exercícios-1 1. Qual a diferença entre um hospedeiro e um sistema final? Cite os tipos de sistemas finais. Um servidor WEB é um sistema final? 2. A palavra protocolo é muito usada para descrever relações diplomáticas. Dê um exemplo de um protocolo diplomático. 3. O que é um programa cliente? O que é um programa servidor? Um programa servidor requisita e recebe serviços de um programa cliente? 4. Quais são os dois tipos de serviços de transporte que a internet provê as suas aplicações? Cite algumas características de cada um desses serviços. 5. Afirma-se que o controle de fluxo e controle de congestionamento são equivalentes. Isso é válido para o serviço orientado para conexão da internet? Os objetivos do controle de fluxo e do controle de congestionamento são os mesmos?

49 Exercícios-1 6. Utilizando uma analogia com nossos atos, faça uma breve descrição de como o serviço orientado para conexão da internet provê transporte confiável. 7. Qual a vantagem de uma rede de comutação de circuitos em relação a uma de comutação de pacotes? Quais são as vantagens da TDM sobre a FDM em uma rede de comutação de circuitos? 8. Por que se afirma que a comutação de pacotes emprega multiplexação estatística? Compare a multiplexação estatística com a multiplexação que ocorre em TDM.

50 Exercícios-2 Faça uma comparação entre o modelo TCP/IP (internet) e o Modelo OSI da ISO.

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