Redes de computadores e a Internet. Redes de computadores e a Internet. Capítulo 1. Redes de computadores e a Internet

Transcrição

1 Redes de computadores e a Internet Redes de computadores e a Internet Capítulo 1 Redes de computadores e a Internet

2 Material adicional 1-2

3 Redes de computadores e a Internet 1.1 O que é Internet? 1.2 Borda da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Acesso à rede e meio físico Capítulo 1: Redes de computadores 1.5 Estrutura da Internet e ISPs 1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes e a Internet 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História 1-4

4 O que é a Internet? Milhões de elementos de computação interligados: hospedeiros = sistemas finais Executando aplicações distribuídas Enlaces de comunicação fibra, cobre, rádio, satélite largura de banda em Hz (transições/s no meio) taxa de transmissão em bits por segundo (bps) Roteadores: enviam pacotes (blocos de dados) 1-5

5 O que é a Internet? Protocolos: controlam o envio e a recepção de mensagens ex.: TCP, IP, HTTP, FTP, PPP Internet: rede de redes fracamente hierárquica Internet pública e Internets privadas (intranets) Internet standards RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force 1-6

6 O que é um protocolo? Toda atividade de comunicação na Internet é governada por protocolos PROTOCOLOS DEFINEM OS FORMATOS, A ORDEM DAS MSGS ENVIADAS E RECEBIDAS PELAS ENTIDADES DE REDE E AS AÇÕES A SEREM TOMADAS NA TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE MENSAGENS 1-9

7 Redes de computadores e a Internet 1.1 O que é Internet? 1.2 Borda da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Acesso à rede e meio físico 1.5 Estrutura da Internet e ISPs 1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História 1-11

8 Uma visão mais de perto da estrutura da rede: Borda da rede: aplicações e hospedeiros Núcleo da rede: roteadores rede de redes Redes de acesso, meio físico: enlaces de comunicação Ex.: par telefônico no Velox, cabo coaxial residencial no Virtua 1-12

9 As bordas da rede Sistemas finais (hospedeiros): Executam programas de aplicação Ex.: Web, Localizam-se nas extremidades da rede Modelo cliente/servidor O cliente toma a iniciativa enviando pedidos que são respondidos por servidores Ex.: Web client (browser)/ server; client/server Modelo peer-to-peer (P2P): Mínimo (ou nenhum) uso de servidores dedicados Ex.: Gnutella, KaZaA 1-13

10 Borda da rede: serviço orientado à conexão Meta: transferência de dados entre sistemas finais com negociação prévia. Handshaking: estabelece as condições para o envio de dados antes de enviá-los Estados de conexão controlam a troca de mensagens entre dois hospedeiros TCP - Transmission Control Protocol [RFC 793]: realiza o serviço orientado à conexão da Internet Transferência de dados confiável e seqüencial, orientada à cadeia de bytes Perdas: reconhecimentos e retransmissões Controle de fluxo: Evita que o transmissor afogue o receptor Controle de congestão: Transmissor reduz sua taxa quando a rede fica congestionada Aplicações usando TCP: HTTP (Web), FTP (transferência de arquivo), Telnet (login remoto), SMTP ( ) 1-14

11 Borda da rede: serviço sem conexão Meta: transferência de dados entre sistemas finais Sem qualquer negociação prévia UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: oferece o serviço sem conexão da Internet Transferência de dados não confiável Sem controle de fluxo Sem controle de congestão Aplicações usando UDP: Streaming media, teleconferência, DNS, telefonia IP 1-15

12 Redes de computadores e a Internet 1.1 O que é Internet? 1.2 Borda da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Acesso à rede e meio físico 1.5 Estrutura da Internet e ISPs 1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História 1-16

13 O núcleo da rede Malha de roteadores interconectados A questão fundamental: como os dados são transferidos através da rede? Comutação de circuitos: usa um canal dedicado para cada conexão. Ex.: rede telefônica Comutação de pacotes: dados são enviados em blocos discretos 1-17

14 O núcleo da rede: comutação de circuitos Recursos fim-a-fim são reservados por chamada Taxa de transmissão, capacidade dos comutadores Recursos dedicados: não há compartilhamento Desempenho análogo aos circuitos físicos ponto a ponto (QOS garantido) Exige estabelecimento de conexão 1-18

15 Pergunta Como conectar cada um dos concentradores com o host a 64 Kbps????? HOST Solução trivial 64 Kbps 64 Kbps HOST 1-21

16 Solução TDM (Time Division Multiplexing) byte byte byte byte 64 Kbps sc 1 sc 2 sc 1 sc 2 64 Kbps MUX MUX 64 Kbps 64 Kbps TDM 128 Kbps TDM HOST Alocação fixa de sub-canais no domínio do tempo Síncrono (STDM) 1-22

17 Solução: FDM (Frequency Division Multiplexing) 64 Kbps 64 Kbps MUX FDM 128 Kbps MUX FDM 64 Kbps 64 Kbps HOST Alocação fixa de sub-canais no domínio da frequência Síncrono 1-23

18 Solução: ATDM (Asynchronous TDM) 64 Kbps 64 Kbps MUX TDM byte ID byte ID byte ID 128 Kbps MUX TDM 64 Kbps 64 Kbps HOST Alocação variável de sub-canais no domínio do tempo Overhead para endereçamento do subcanal Alocação dos sub-canais em função da demanda Ideal para acomodar tráfego em rajada (bursty) Assíncrono 1-24

19 Exemplo numérico Quanto tempo leva para enviar um arquivo de bits do hospedeiro a para o hospedeiro B numa rede de comutação de circuitos? Todos os links possuem 1,536 Mbps (T1) Cada link utiliza TDM com 24 slots 500 ms para estabelecer um circuito fim-a-fim. Calcule! 1-25

20 Solução Cada slot usará uma banda de 1,536 Mbps/24 = 64 kbps Estabelecimento do circuito = 500 ms Tempo de transferência = 640 kb/64 kbps = 10 s Tempo total = 10,5 s 1-26

21 Técnicas de comutação A B C Pedido de Conexão Circuito Aceite da Conexão Transferência de Dados Pacotes 1-27

22 Núcleo da rede: comutação de pacotes Cada fluxo de dados fim-a-fim é dividido em pacotes Os recursos da rede são compartilhados em bases estatísticas Cada pacote usa toda a banda disponível ao ser transmitido Recursos são usados na medida do necessário Contenção de recursos: A demanda agregada por recursos pode exceder a capacidade disponível Congestão: filas de pacotes, espera para uso do link Armazena e reenvia: pacotes se movem um salto por vez O nó recebe o pacote completo antes de encaminhá-lo Banda passante é dividida em slots Alocação fixa Reserva de recursos 1-28

23 Comutação de pacotes: multiplexação estatística A seqüência de pacotes A e B não possui padrão específico multiplexação estatística No TDM, cada hospedeiro adquire o mesmo slot dentro do frame TDM 1-29

24 Comutação de pacotes x comutação de circuitos Comutação de pacotes permite que mais usuários usem a mesma rede! Enlace de 1 Mbps Cada usuário: 100 kbps quando ativo Ativo 10% do tempo Comutação de circuitos: 10 usuários comutação de pacotes: Com 35 usuários, probabilidade {# de ativos > 10} < 0,

25 Comutação de pacotes x comutação de circuitos A comutação de pacotes é melhor sempre? Ótima para dados esporádicos Melhor compartilhamento de recursos Não há estabelecimento de chamada Congestionamento excessivo: atraso e perda de pacotes Protocolos são necessários para transferência confiável, controle de congestionamento Como obter um comportamento semelhante ao de um circuito físico? Garantias de taxa de transmissão são necessárias para aplicações de áudio/vídeo Problema ainda sem solução (capítulo 6) 1-31

26 Comutação de pacotes: armazena e reenvia Leva L/R segundos para enviar pacotes de L bits num enlace de R bps O pacote todo deve chegar no roteador antes que seja transmitido para o próximo link: armazena e reenvia (store and forward) Atraso = 3L/R Exemplo: L = 7,5 Mbits R = 1,5 Mbps atraso = 15 s 1-32

27 Comutação de pacotes: armazena e reenvia Tempo de propagação assumido desprezível no desenho acima Refaça o desenho assumindo tempo de propagação não desprezível 1-33

28 Comutação de pacotes: armazena e reenvia 1-34

29 Redes de comutação de pacotes: roteamento Objetivo: mover pacotes entre roteadores da origem ao destino Iremos estudar vários algoritmos de seleção de caminhos (roteamento)(capítulo 4) Redes datagrama: O endereço de destino determina o próximo salto (hop) Rotas podem mudar durante uma sessão Analogia: dirigir perguntando o caminho Rede de circuitos virtuais: Cada pacote leva um número (virtual circuit ID), o número determina o próximo salto, ou seja, a rota a ser seguida pelo pacote O caminho é fixo e escolhido no instante de estabelecimento da conexão, permanece fixo durante toda a conexão É mantido um estado por conexão 1-35

30 Roteamento via Circuito Virtual (VC) Orientado a conexão Fase de estabelecimento de conexão necessária Pode ser solicitada uma determinada QoS (banda, atraso máximo, custo, confiabilidade, etc) para o VC, influindo na rota a ser escolhida Determinação de rota pode ser tarefa demorada Pacotes carregam números do VC (menores) em vez de endereços completos de fonte e destino (grandes, em geral) Overhead menor Pacotes de um mesmo VC seguem por uma única rota pré-estabelecida Procedimento de roteamento baseado em consulta a tabela, indexada pelo VC Neste caso diz-se comutação de pacotes, pois um algoritmo não é executado no processamento do pacote 1-36

31 Roteamento de VC A B VC 1 VC 7 VC 3 VC 1 COMUTADOR De # VC Para # VC A 1 D 1 A 7 E 9 B 3 E 1 VC 1 VC 2 VC 2 D C VC 9 B 1 D 2 D 2 C 9 VC 9 VC 1 E 1-37

32 Uso de rotas virtuais Na Internet, a tecnologia MPLS (Multiprotocol Label Switching) usa rotas virtuais e rótulo no pacote define o caminho a ser seguido Ao comutar caminhar um pacote com rótulo, a tabela de rótulos no comutador de pacotes (LSR Label Switching Router) é consultada para escolher o próximo rótulo e interface de saída Outras tecnologias também usam circuitos virtuais FRAME RELAY Usa circuitos virtuais definidos no cabeçalho do enlace (camada 2) DLCI (identificador do circuito virtual) é alterado a cada passagem por um comutador FR ATM (Asynchronous Transfer Mode) Pacote quebrado em células que são enviadas por um circuito virtual 1-38

33 Roteamento de datagramas Fase de estabelecimento de chamada não é necessária Cada pacote carrega os endereços completos de fonte e destino e segue a rota que for determinada no instante Vários procedimentos de roteamento possíveis Rota estática (fixa), incluindo rotas múltiplas Roteamento dinâmico para aumento de eficiência 1-39

34 Taxonomia da rede Uma rede de datagramas não é nem orientada à conexão nem não orientada à conexão A Internet provê serviços com orientação à conexão (TCP) e serviços sem orientação à conexão (UDP) para as aplicações 1-40

35 Redes de computadores e a Internet 1.1 O que é Internet? 1.2 Borda da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Acesso à rede e meio físico 1.5 Estrutura da Internet e ISPs 1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História 1-41

36 Redes de acesso e meios físicos P.: Como conectar o sistema final ao roteador de borda? Redes de acesso residencial Redes de acesso institucionais (escolas, bancos, empresas) Redes de acesso móveis Lembre-se : Largura de banda da rede de acesso? Vai depender do meio físico. Taxa de transmissão da rede de acesso? Vai depender da codificação utilizada. Compartilhado ou dedicado? 1-42

37 Acesso residencial: redes ponto-a-ponto Discagem via Modem (dial-up) Até 56 kbps com acesso direto ao roteador (menos em tese) Não é possível navegar e telefonar ao mesmo tempo: não pode estar sempre on-line ADSL: asymmetric digital subscriber line Até 1 Mbps de upstream, 8 Mbps de downstream FDM: [50 khz 1 MHz] para downstream [4 khz 50 khz] para upstream [0 khz 4 khz] para telefonia comum 1-43

38 Acesso residencial: cable modems HFC: híbrido fibra e coaxial Assimétrico: até 30 Mbps upstream, 2 Mbps downstream Rede de cabo e fibra liga residências ao roteador do ISP Acesso compartilhado das casas de um condomínio ou de um bairro Implantação (deployment): disponível via companhias de TV a cabo 1-44

39 Arquiteturas de redes a cabo: visão geral Tipicamente 500 a casas ponto final do cabo rede de distribuição de cabo (simplificada) casa 1-45

40 Arquiteturas de redes a cabo: visão geral ponto final do cabo rede de distribuição de cabo (simplificada) casa 1-46

41 Arquiteturas de redes a cabo: visão geral servidor(es) ponto final do cabo rede de distribuição de cabo (simplificada) casa 1-47

42 1-48 casa ponto final do cabo rede de distribuição de cabo (simplificada) canais 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 V I D E O D A T A D A T A C O N T R O L FDM: Arquiteturas de redes a cabo: visão geral

43 Acesso institucional: redes de área local A rede local (LAN) da companhia/universidade conecta sistemas finais ao roteador de acesso Ethernet: Cabo compartilhado ou dedicado conecta sistemas finais e o roteador 10 Mbs, 100 Mbps, Gigabit Ethernet LANs: capítulo

44 Redes de acesso sem fio Rede de acesso sem fio compartilhada conecta sistemas finais ao roteador Através de ponto de acesso da estação base LANs sem fio: b (WiFi): 11 Mbps Wide-area de acesso sem fio Provido pelo operador telco 3G ~ 384 kbps O que acontecerá WAP/GPRS na Europa 1-50

45 Redes residenciais Componentes típicos de uma rede residencial: ADSL ou cable modem Roteador/firewall Ethernet Ponto de acesso sem fio 1-51

46 Meios físicos Bit: propaga-se entre os pares transmissor/ receptor Enlace físico: meio que fica entre o transmissor e o receptor Meios guiados: Os sinais se propagam em meios sólidos com caminho fixo: cobre, fibra Meios não guiados: Propagação livre, ex.: rádio Twisted Pair (TP) Par de fios trançados de cobre isolados Categoria 3: taxas de transmissão até 10 Mbps categoria 5: 100 Mbps Ethernet Categoria 6: 1 Gbps Ethernet 1-52

47 Meio físico: coaxial, fibra Cabo coaxial: Dois condutores de cobre concêntricos Bidirecional banda base: Um único sinal digital presente no cabo Legado de rede local Ethernet Banda larga: Canais múltiplos no cabo HFC Cabo de fibra óptica: Fibra de vidro transportando pulsos de luz, cada pulso é um bit Alta velocidade de operação em transmissão ponto-a-ponto (ex.: 10 Gbps) Baixa taxa de erros Atenuação e distorção baixas, permitindo repetidores bem espaçados Imunidade a ruídos eletromagnéticos 1-53

48 Espectro (Hz) Rádio 10 5 a Infravermelho a Luz visível a Ultravioleta a Raios X a Raios Gama acima de fλ= c (velocidade da luz no vácuo) Um comprimento de onda λ de 1,3 µm corresponde a uma freqüência f = 0,23 x Hz 1-54

49 Fibra ótica Transmite apenas luz luz Núcleo (core) Casca (cladding) buffer 1-55

50 Fibra ótica Zeros e Uns representam ausência ou presença de luz A luz visível tem freqüência entre 10 5 e 10 6 GHz, possibilitando uma enorme largura de banda Um sistema de transmissão ótico tem três componentes: Meio de transmissão fibra ultra fina de vidro ou sílica fundida Emissor LED ou LASER, que emite luz, quando uma corrente elétrica é aplicada Foto detector FOTODIODO que gera um impulso elétrico quando recebe luz 1-56

51 Princípio da transmissão ótica A fibra é formada por um núcleo e um invólucro, com índices de refração diferentes Quando a luz passa de um meio para outro, ela sofre refração, retornando via reflexão (lei de Fresnel) Luz se propaga através de múltiplas reflexões internas 1-57

52 Fibra ótica Tipos Multimodo Monomodo 1-58

53 Fibra ótica Fibra Multimodo possui núcleo com diâmetro acima de 50 microns, onde a luz se propaga por múltiplas trajetórias ou modos = 1-59

54 Fibra ótica Fibra Multimodo modos percorrem distâncias diferentes ao longo da fibra fazendo com que o tempo de propagação de cada modo varie (distorção modal) distorção modal limita a banda passante de uma fibra multimodo abaixo de 1 GHz.km (ex.: 10 GHz em 0,1 km => 1GHz.km) o núcleo grande permite o uso de LEDs (mais baratos) fibra típica: 62,5 µm\125 µm (núcleo/casca) 1-60

55 Fibra ótica Fibra Monomodo possui um núcleo tão pequeno (de 7 a 10 µm), de forma que somente um modo se propaga ao longo da fibra, eliminando o efeito da distorção modal banda passante de vários GHz.km fibra típica: 8 µm / 125 µm é necessário usar LASER, que é capaz de focalizar a luz no pequeno diâmetro do núcleo, mas com custo maior que LED custo comparável (ou até menor) que o da fibra multimodo devido ao seu amplo uso em sistemas telefônicos (porém interfaces monomodo ainda são mais caras) 1-61

56 Fatores limitantes do desempenho das fibras óticas Atenuação absorção (conversão para calor) e espalhamento (radiação) Fatores limitantes da banda passante dispersão modal dispersão do material (imperfeições afetando o índice de refração) dispersão cromática provocada pela fonte não ser exatamente monocromática (velocidade de propagação depende do comprimento de onda) medida em ps/(nm.km) dispersão quase nula em torno de 1300 nm 1-62

57 Fibra Ótica Curva de Atenuação Típica Atenuação (db/km) 10 picos de 5 absorção janelas de baixa atenuação Comprimento de Onda (nm) 1-63

58 Fibra ótica Janelas de Transmissão utiliza as faixas de comprimentos de onda em que a atenuação é menor janela 1: 800 a 900 nm comprimento utilizado: 850 nm (2,1 db/km) janela 2: 1250 a 1350 nm comprimento utilizado: 1310 nm (0,3 db/km) janela 3: 1500 a 1600 nm comprimento utilizado: 1550 nm (0,15 db/km) luz visível: 700 a 1400 nm 1-64

59 Meio físico: rádio Sinal transportado como campo eletromagnético Não há fios físicos Bidirecional O ambiente afeta a propagação: Reflexão Obstrução por objetos Interferência 1-65

60 Meio físico: rádio Tipos de canais de rádio: Microondas terrestre Canais de até 45 Mbps LAN (ex.: WiFi) 2 Mbps, 11 Mbps Wide-area (ex.: celular) Ex., 3G: centenas de kbps Satélite Canal de até 50 Mbps (ou vários canais menores) 270 ms de atraso fim-a-fim (passando uma vez pelo satélite geossíncrono ou geo-estacionário) Geossíncrono versus LEOS (baixa órbita) 1-66

61 Redes de computadores e a Internet 1.1 O que é Internet? 1.2 Borda da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Acesso à rede e meio físico 1.5 Estrutura da Internet e ISPs 1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História 1-67

62 Estrutura da Internet: rede de redes Grosseiramente hierárquica No centro: ISPs de zona-1 (ex.: UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T), cobertura national/international Os outros são igualmente tratados A Zona-1 também provê interconexão nos pontos de acesso (NAP Network Access Point) da rede pública A Zona-1 provê interconexão (peer) de modo privativo ISP Zona-1 NAP ISP Zona-1 ISP Zona

63 ISP de Zona-1 ex.: Sprint Rede de backbone da Sprint US ( Enlaces mais rápidos: OC-192/STM-64 (aprox. 10 GHz, 64 x 155,52 Mbps) 1-69

64 Estrutura da Internet: rede de redes ISPs de Zona-2 : ISPs menores (freqüentemente regionais) Conectam-se a um ou mais ISPs de Zona-1, possivelmente a outros ISPs de Zona-2 ISP Zona-2 paga ao ISP Zona-1 pela conectividade ao resto da Internet ISP Zona-2 é cliente do provedor de Zona-1 ISP Zona-2 ISP Zona-2 ISP Zona-1 NAP ISP Zona-1 ISP Zona-1 ISPs de Zona-2 também provêm conexão privativamente entre si, interconexão em NAP ISP Zona-2 ISP Zona-2 ISP Zona

65 Estrutura da Internet: rede de redes ISPs de Zona-3 e ISPs locais Última rede de acesso ( hop ) (mais próxima dos sistemas finais) ISPs locais e de Zona-3 são clientes dos ISPs de zonas mais altas conectando-os ao resto da Internet ISP locad ISP local ISP Zona-3 ISP Zona-2 ISP Zona-1 ISP Zona-2 ISP local ISP local ISP Zona ISP Zona-2 NAP ISP Zona-1 ISP Zona-2 ISP local ISP locad ISP local ISP Zona-2 ISP local

66 Estrutura da Internet: rede de redes Um pacote passa através de muitas redes ISP local ISP Zona-3 ISP Zona-2 ISP local ISP local Tier-2 ISP ISP local ISP Zona-1 NAP ISP local ISP Zona-1 ISP Zona-2 ISP local ISP Zona-1 ISP Zona-2 ISP local ISP Zona-2 ISP local 1-72

67 Backbone da RNP

68 Redes de computadores e a Internet 1.1 O que é Internet? 1.2 Borda da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Acesso à rede e meio físico 1.5 Estrutura da Internet e ISPs 1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História 1-74

69 Como perdas e atrasos ocorrem? Filas de pacotes em buffers de roteadores Forma-se quando a taxa média de chegada de pacotes na fila (em bps) se aproxima da capacidade do enlace de saída (em bps) Fila de pacotes esperam por sua vez pacote sendo transmitido (atraso) A B enfileiramento de pacotes (atraso) buffers livres (disponíveis): pacotes chegando descartados (perda) se não houver buffers livres 1-75

70 Quatro fontes de atraso de pacotes 1. Processamento nos nós: Verifica erros de bit Determina enlace de saída 2. Enfileiramento Tempo de espera na fila do enlace de saída para transmissão Depende do nível de congestionamento do roteador 1-76

71 Atraso em redes de comutação de pacotes 3. Atraso de transmissão: R= taxa de transmissão (no livro largura de banda) do enlace (bps) L= tamanho do pacote (bits) Tempo para enviar bits ao link = L/R 4. Atraso de propagação: d = comprimento do link físico s = velocidade de propagação no meio (~2x10 8 m/s) Atraso de propagação = d/s => 5 µs/km em geral Nota: s e R são medidas muito diferentes! 1-77

72 Atraso por nó d = d + d + d + no proc espera na fila trans d prop d proc = atraso de processamento Tipicamente uns poucos microssegundos ou menos d espera na fila = atraso de espera na fila Depende do congestionamento d trans = atraso de transmissão = L/R, significante para enlaces de baixa velocidade d prop = atraso de propagação Uns poucos microssegundos a centenas de milissegundos 1-80

73 Atraso de filas (revisitado) R = largura de banda do link (bps) L = tamanho do pacote (bits) a = taxa média de chegada de pacotes (pacotes/s) Intensidade de tráfego = La/R La/R ~ 0: atraso médio de fila pequeno La/R -> 1: atraso se torna grande La/R > 1: mais trabalho chega do que a capacidade de transmissão. O atraso médio cresce indefinidamente! 1-81

74 Perfil do tamanho dos pacotes Pacotes pequenos Tamanhos de 64 a 150 bytes Média: 100 bytes Percentual: 50% Pacotes Médios Tamanhos de 300 a 600 bytes Média: 500 bytes Percentual: 10% Pacotes Grandes Tamanhos de 1000 a 1536 bytes Média: 1500 bytes Percentual: 40% Distribuição Média E[L] = m = 700 bytes pmf 50% 40% 30% 20% 10% Segundo momento E[L 2 ] = bytes*bytes Vida residual: E[Lr] = E[L 2 ]/(2E[L]) = 664 bytes µ bytes Distribuição do Tamanho dos Pacotes 1-82

75 Volume do tráfego Em pacotes pequenos: 5% dos bits Em pacotes médios: 5% dos bits Em pacotes grandes: 90% dos bits 1-83

76 Modelando com FILA M/M/1... chegadas fila de espera servidor Usada na modelagem simples de enlace de dados Tempo entre chegadas de pacotes exponencialmente distribuído Taxa média de chegada (pacotes/s) : λ Serviço (transmissão de um pacote) exponencialmente distribuído Capacidade do enlace (bps): C Tamanho médio do pacote (bits): E[L] Tempo médio de serviço (s): E[X] = E[L]/C Utilização ou intensidade de tráfego do servidor: ρ = λ E[X] (varia entre 0 e 1) 1-84

77 FILA M/M/1 E[W] E[X]... chegadas fila de espera servidor Tempo médio gasto na fila de espera: E[ W ] ρe[ X ] = 1 ρ Tempo médio gasto na fila: E [ T ] = E[ W ] + E[ X ] Número médio de pacotes na fila: E[ N ] = λe[ T ] = ρ 1 ρ 1-85

78 FILA M/G/1... chegadas fila de espera servidor Tempo médio gasto na fila de espera: E[ W ] = ρe[ Xr] (1 ρ) = ρe[ Lr] (1 ρ) C Tempo médio gasto na fila: E[ T ] = E[ W ] + E[ X ] = ρe[ Lr ] (1 ρ ) C + E[ L] C = fator 1. C Número médio de pacotes na fila: E[ N ] = λe[ T ] 1-86

79 M/M/1 ou M/G/1 Os tempos médios de espera em fila dependem da vida residual do tamanho dos pacotes Mas como a vida residual e a média são próximas, ambos modelos darão valores muito parecidos para grandezas médias, que normalmente é o que interessa Se houver interesse na variância do tempo de espera, então os modelos importam 1-87

80 Síntese de atraso em fila Usando 10 ms como valor empírico para o tempo máximo gasto por hop, tempo gasto em fila é problemático em enlaces de baixa velocidade e alta utilização Pacotes terão que ser segmentados e tráfego terá que ser priorizado Enlaces com velocidades acima de 2 Mbps não preocupam, a menos que estejam saturados 1-88

81 Enlaces de baixa velocidade são críticos E[W]M/G/1 (ms), E[L] = 700 bytes, E[Lr]=664 bytes ρ C (Mbps) 0,256 0,512 0, , , , , , , ,

82 Atraso da voz por hop ρ 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 0,99 Atraso Médio E[T]M/G/1 (ms), Voz = 300 bytes, E[ L] = 700 bytes C (Mbps) 0,256 0,512 0,

83 Convergência de rede Convergência para uma rede única com maior tráfego e maior banda é melhor para usuário? A dados λ (pacotes/s) C (bps) Internet B dados + VoIP nλ (pacotes/s) nc (bps) 1-91

84 Convergência de rede B vai experimentar um acesso n vezes melhor! Sistemas grandes são mais eficientes! A dados λ (pacotes/s) C (bps) E[ T ] = 1 fator. C Internet B dados + voip nλ (pacotes/s) nc (bps) Atraso na fila é n vezes menor nesta situação! 1-92

85 Convergência Convergência não deve abranger apenas a questão física da rede, mas incluir os recursos humanos, treinamento e gerência operacional das aplicações Comportamentos terão que ser alterados PBXs atualizam software uma vez a cada dois anos ou menos, enquanto equipamentos de dados emitem atualizações a cada semestre ou menos Atualizações automáticas podem ser um risco imenso e simplesmente não poderão ocorrer nos equipamentos de VoIP (missão crítica) 1-93

86 Sistemas grandes também para dados λ β λ β λ+β C (bps) C (bps) C (bps) C (bps) 2C (bps) Performance cresce 1-94

87 Atrasos e rotas da Internet real Como são os atrasos e perdas na Internet real? Programa Traceroute: fornece medidas do atraso da fonte para o roteador ao longo de caminhos fim-a-fim da Internet até o destino. Para todo i: Envia três pacotes que alcançarão o roteador i no caminho até o destino O roteador i retornará pacotes ao emissor O emissor cronometra o intervalo entre transmissão e resposta. 3 probes 3 probes 3 probes 1-95

88 Atrasos e rotas da Internet real Traceroute: gaia.cs.umass.edu to 1 cs-gw ( ) 1 ms 1 ms 2 ms 2 border1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu ( ) 1 ms 1 ms 2 ms 3 cht-vbns.gw.umass.edu ( ) 6 ms 5 ms 5 ms 4 jn1-at wor.vbns.net ( ) 16 ms 11 ms 13 ms 5 jn1-so wae.vbns.net ( ) 21 ms 18 ms 18 ms 6 abilene-vbns.abilene.ucaid.edu ( ) 22 ms 18 ms 22 ms 7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu ( ) 22 ms 22 ms 22 ms ( ) 104 ms 109 ms 106 ms 9 de2-1.de1.de.geant.net ( ) 109 ms 102 ms 104 ms 10 de.fr1.fr.geant.net ( ) 113 ms 121 ms 114 ms 11 renater-gw.fr1.fr.geant.net ( ) 112 ms 114 ms 112 ms 12 nio-n2.cssi.renater.fr ( ) 111 ms 114 ms 116 ms 13 nice.cssi.renater.fr ( ) 123 ms 125 ms 124 ms 14 r3t2-nice.cssi.renater.fr ( ) 126 ms 126 ms 124 ms 15 eurecom-valbonne.r3t2.ft.net ( ) 135 ms 128 ms 133 ms ( ) 126 ms 128 ms 126 ms 17 * * * 18 * * * 19 fantasia.eurecom.fr ( ) 132 ms 128 ms 136 ms Três medidas de atraso de gaia.cs.umass.edu para cs-gw.cs.umass.edu link transoceânico * sem resposta (perda de probe, roteador não responde) 1-96

89 Traceroute 1-97

90 Redes de computadores e a Internet 1.1 O que é Internet? 1.2 Borda da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Acesso à rede e meio físico 1.5 Estrutura da Internet e ISPs 1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História 1-99

91 Camadas de protocolos Redes são complexas Muitos componentes: Hospedeiros Roteadores Enlaces de vários tipos Aplicações Protocolos Hardware, software QUESTÃO: Há alguma esperança de organizar a arquitetura de uma rede? Ou pelo menos nossa discussão sobre redes? 1-100

92 Por que as camadas de protocolos? Convivendo com sistemas complexos: A estrutura explícita permite identificação, o relacionamento das partes de um sistema complexo Um modelo de referência em camadas permite a discussão da arquitetura Modularização facilita a manutenção, atualização do sistema As mudanças na implementação de uma camada são transparentes para o resto do sistema Ex.: novas regras para embarque de passageiros não afetam os procedimentos de decolagem A divisão em camadas é considerada perigosa? 1-103

93 Pilha de protocolos da Internet Aplicação: suporta as aplicações de rede FTP, SMTP, HTTP Transporte: transferência de dados hospedeirohospedeiro TCP, UDP Rede: roteamento de datagramas da origem ao destino IP, protocolos de roteamento Enlace: transferência de dados entre elementos vizinhos da rede PPP, Ethernet Física: bits nos fios dos canais 1-104

94 Encapsulamento 1-105

95 Redes de computadores e a Internet 1.1 O que é Internet? 1.2 Borda da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Acesso à rede e meio físico 1.5 Estrutura da Internet e ISPs 1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História 1-106

96 História da Internet : primeiros princípios da comutação de pacotes 1961: Kleinrock - teoria das filas mostra a efetividade da comutação de pacotes 1964: Baran - comutação de pacotes em redes militares 1967: ARPAnet concebida pela Advanced Research Projects Agency 1969: primeiro nó da ARPAnet operacional 1972: ARPAnet é demonstrada publicamente NCP (Network Control Protocol) primeiro protocolo hospedeiro-hospedeiro Primeiro programa de ARPAnet cresce para 15 nós 1-107

97 História da Internet : Inter-redes, redes novas e proprietárias 1970: ALOHAnet rede via satélite no Havaí 1973: tese de PhD de Metcalfe propõe a rede Ethernet 1974: Cerf e Kahn - arquitetura para interconexão de redes Final dos anos 70: arquiteturas proprietárias: DECnet, SNA, XNA Final dos anos 70: comutação com pacotes de tamanho fixo (precursor do ATM ) 1979: ARPAnet cresce para 200 nós Princípios de interconexão de redes de Cerf e Kahn : Minimalismo, autonomia - não se exigem mudanças internas para interconexão de redes Modelo de serviço: melhor esforço Roteadores stateless Controle descentralizado Define a arquitetura da Internet de hoje 1-108