Módulo 1 Introdução. Introdução

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1 Introdução Redes de Computadores - LTI António Casimiro 2º Semestre 2015/16 Adaptado a partir de: Computer Networking: A Top Down Approach, 6 th edition. Jim Kurose, Keith Ross, Addison Wesley, Introdução Objetivos: Contacto com terminologia e conceitos básicos Visão geral da estrutura e componentes da rede Foco na rede Internet Tópicos: O que é a Internet? O que é um protocolo? Estrutura da rede: Orla da rede: dispositivos de acesso, tecnologias de acesso Núcleo da rede: comutação de pacotes e comutação de circuitos, organização estrutural Métricas de desempenho: Perdas, atrasos, fluxo Protocolos: Organização em camadas Modelo de serviços 1 2

2 Tópicos O que é a Internet? O que é um protocolo? Estrutura da rede: Orla da rede: dispositivos de acesso, tecnologias de acesso Núcleo da rede: comutação de pacotes e comutação de circuitos, organização estrutural Métricas de desempenho: Perdas, atrasos, fluxo Protocolos: Organização em camadas Modelo de serviços 1 3 O que é a Internet? PC Servidor Wireless laptop Telefone móvel Pontos de acesso Ligações com fio Milhões de dispositivos computacionais: (hosts ou sistemas terminais) Executam aplicações de rede ou distribuídas Ligações Fibra ótica, cobre, rádio, satélite Taxa de transmissão = largura de banda Rede móvel ISP global Rede doméstica ISP regional Rede institucional Encaminhador Encaminhadores: encaminham pacotes (pedaços de informação) 1 4

3 Internet ubíqua Torradeira com ligação à net para previsão do tempo Moldura com ligação à net Frigorífico com ligação à net Slingbox: ver televisão por cabo remotamente Telefones sobre Internet (VoIP) 1 5 O que é a Internet? A função dos protocolos é controlar o envio e receção de mensagens E.g., TCP, IP, HTTP, Skype, Ethernet Internet como rede de redes Composição hierárquica Internet (pública) em contraste com Intranet (privada) Papel dos standards Garantia de interoperabilidade RFC: Request For Comments IETF: Internet Engineering Task Force Rede móvel ISP global Rede doméstica ISP regional Rede institucional 1 6

4 A importância dos standards 1-7 O que é a Internet? Vista como uma infraestrutura de serviços Infraestrutura de comunicação Permite concretizar aplicações distribuídas: Web, VoIP, , jogos, partilha de ficheiros, comércio eletrónico Infraestrutura de serviços Facilita desenvolvimento de aplicações Serviços de: Entrega fiável desde a origem até ao destino Entrega melhor esforço ( besteffort ), não fiável 1 8

5 Tópicos O que é a Internet? O que é um protocolo? Estrutura da rede: Orla da rede: dispositivos de acesso, tecnologias de acesso Núcleo da rede: comutação de pacotes e comutação de circuitos, organização estrutural Métricas de desempenho: Perdas, atrasos, fluxo Protocolos: Organização em camadas Modelo de serviços 1 9 O que é um protocolo? Protocolos humanos: Que horas são? Pedido, implica resposta Prof, não percebi! Confirmação negativa Introdução Preâmbulo ao que se segue, dando contexto envio de msgs específicas realização de ações específicas após receção de msgs ou outros eventos Protocolos de rede: Máquinas em vez de pessoas Todas as atividades na Internet são regidas por protocolos Um protocolo define como é que os dados são transferidos (e.g. formato, ordem) entre entidades semelhantes (peer), e que ações são executadas após eventos de transmissão ou receção 1 10

6 O que é um protocolo? Comparação entre um protocolo humano e com máquinas: Olá Olá Tens horas? 2:00 tempo TCP connection request TCP connection response GET <file> Q: Exemplos de outros protocolos? 1 11 Tópicos O que é a Internet? O que é um protocolo? Estrutura da rede: Orla da rede: dispositivos de acesso, tecnologias de acesso Núcleo da rede: comutação de pacotes e comutação de circuitos, organização estrutural Métricas de desempenho: Perdas, atrasos, fluxo Protocolos: Organização em camadas Modelo de serviços 1 12

7 Dissecando a estrutura da rede Orla da rede: Aplicações e nós computacionais Redes de acesso, meios físicos: Com fios, sem fios, ligações entre nós Núcleo da rede: Ligações entre encaminhadores Redes de redes 1 13 A orla da rede Sistemas terminais (hosts): Executam aplicações E.g. Web, Na orla da rede Modelo cliente/servidor: Nó cliente faz pedidos que são servidos por servidor permanentemente ativo E.g. Web browser/server, cliente/servidor Modelo nó-a-nó (peer-to-peer): Utilização reduzida ou inexistente de servidores E.g. Skype, BitTorrent nó-a-nó (peer-to-peer) cliente/servidor 1 14

8 Tecnologias de acesso Dial-up modem: Sinais digitais transformados em som e transmitidos usando ligações telefónicas ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line): Sinais digitais transmitidos usando a linha (cabos) telefónicos, em paralelo com sinais de voz HFC (Hybrid Fiber Coaxial): Sinais transmitidos sobre cabo coaxial (e.g. TV cabo) e fibra ótica Fibra ótica: Sinais transmitidos diretamente de casa sobre fibra ótica Ethernet: Sinais transmitidos usando rede Ethernet (e.g. labs do DI) Redes sem fios: Sinais transmitidos através do ar, usando antenas e transmissores/recetores de sinal (E.g. Hotspots WiFi) 1 15 Dial-up Modem Ponto de acesso Rede telefónica Internet home PC home dial-up modem ISP modem Utiliza infraestrutura telefónica pré-existente Ligação telefónica direta a um ponto de acesso que encaminha dados para a Internet Taxas de transmissão até 56Kbps Não é possível falar ao telefone e ligar à Internet em simultâneo A ligação não é permanente (nova chamada telefónica estabelecida para cada ligação) 1 16

9 Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) home phone Linha telefónica pré-existente: 0-4KHz telefone; 4-50KHz upstream data; 50KHz-1MHz downstream data Internet DSLAM splitter Rede telefónica home PC DSL modem Ponto de acesso Utiliza infraestrutura telefónica pré-existente Taxas de transmissão (upload e download) assimétricas Download até 24Mbps, upload na ordem de 1Mbps (também depende da qualidade da linha física, distância ao ponto de acesso) Linha física dedicada até ao ponto de acesso 1 17 Hybrid Fiber Coaxial (HFC) Utiliza infraestrutura de TV por cabo em vez de linha telefónica Taxas de transmissão (upload e download) assimétricas Download até 100Mbps (típico) e upload até 20Mbs (típico), dependente de vários fatores Infraestrutura de cabo coaxial para ligação a ponto de acesso partilhada por vários subscritores 1 18

10 Infraestrutura de rede (TV por cabo) servidores Terminação da rede Rede de distribuição por cabo (simplificada) casa 1 19 Fibra ótica Internet OLT (Optical Line Termination) Fibras ONT OLT Ponto de acesso Fibra ótica Splitter para fibra ONT ONT (Optical Network Termination) ONT Ligações por fibra ótica entre o ponto de acesso e as casas Taxas de transmissão podem ser muito mais elevadas do que tecnologias ADSL e cabo (centenas de Mbps) Permite transportar serviços de televisão e telefone em paralelo Maior fiabilidade (fibra ótica imune a ruído eletromagnético) 1 20

11 Acesso por rede Ethernet 100 Mbps 100 Mbps Ethernet switch Encaminhador (router) institucional Ligação ao ISP que serve a instituição 1 Gbps 100 Mbps servidor Normalmente utilizada em empresas, universidades, etc. Taxas de transmissão de 10Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps Normalmente os nós terminais estão ligados a um switch Ethernet 1 21 Acesso por ligação sem fios (wireless) Rede sem fios de acesso partilhado para ligação de equipamentos ao encaminhador Através da estação base, ou access point Wireless LANs (WiFi): b/g: 11 ou 54Mbps n: até 600Mbps ac: até 1.7Gbps Outros acessos wireless Serviços fornecidos por operadores móveis Outras tecnologias: WiMAX (até 1Gbps), rede área metropolitana (MAN) Estação base encaminhador Nós móveis 1 22

12 Redes domésticas Componentes típicos: Modem cabo ou modem ADSL ou ONT Router/firewall Ethernet Wireless access point Ligação a ponto de acesso Modem ou ONT Router/ firewall Ethernet Wireless access point Portáteis wireless 1 23 Tópicos O que é a Internet? O que é um protocolo? Estrutura da rede: Orla da rede: dispositivos de acesso, tecnologias de acesso Núcleo da rede: comutação de pacotes e comutação de circuitos, organização estrutural Métricas de desempenho: Perdas, atrasos, fluxo Protocolos: Organização em camadas Modelo de serviços 1 24

13 O núcleo da rede Teia de encaminhadores interligados A questão fundamental: como é que os dados são transferidos através da rede? Comutação de circuitos: circuito dedicado para cada ligação (E.g. rede telefónica) Comutação de pacotes: dados partidos em fragmentos e enviados através da rede 1 25 Núcleo da rede Comutação de circuitos Recursos reservados extremo-a-extremo para cada ligação Limitado por largura de banda e capacidade dos comutadores (switches) Recursos dedicados: não existe partilha Taxa de transmissão garantida (devido a circuito previamente estabelecido) Requer estabelecimento de ligação para transmissão de dados 1 26

14 Núcleo da rede Comutação de circuitos Recursos da rede divididos em partes (e.g., largura de banda) Estas partes são atribuídas às várias ligações Os recursos (largura de banda) são desperdiçados se as aplicações não estiverem a transmitir (uma vez que não existe partilha) A divisão da largura de banda em partes ou blocos pode ser feita por: Divisão da frequência Canais Divisão do tempo Slots temporais 1 27 Comutação de circuitos FDM e TDM FDM (Frequency Division Multiplexing) Exemplo: 4 utilizadores frequência TDM (Time Division Multiplexing) tempo frequência tempo 1 28

15 Núcleo da rede Comutação de pacotes Cada fluxo de dados é dividido em pacotes Os pacotes de dois nós distintos podem partilhar os mesmos recursos A largura de banda pode ser usada por inteiro para transmitir um pacote Os recursos são usados sempre que necessário Contenção no acesso a recursos: As necessidades podem superar os recursos disponíveis (E.g. muitos nós a tentar transmitir em simultâneo) Congestão: os pacotes ficam parados em filas, à espera que existam recursos Armazenamento e reencaminhamento (store and forward): os pacotes avançam um passo de cada vez entre encaminhadores consecutivos; Um encaminhador recebe um pacote por inteiro antes de o reencaminhar 1 29 Comutação de pacotes Multiplexagem estatística A 100 Mbps Ethernet Multiplexagem estatística C B Fila de pacotes esperando reencaminhamento 1.5 Mbps D E A sequência dos pacotes das mensagens A & B não segue um padrão fixo ou definido Largura de banda partilhada se necessário: multiplexagem estatística 1 30

16 Comparação entre comutação de circuitos e de pacotes A comutação de pacotes permite que existam (estatisticamente) mais utilizadores a usar a rede! Ótimo para dados esporádicos Partilha de recursos Simplicidade: não é necessário criar circuito e reservar recursos A comutação de pacotes pode originar congestão: atrasos no envio de pacotes, perdas (no caso das filas ficarem cheias) Requer protocolos para lidar com a congestão e para transmitir dados de forma fiável (necessário para certas aplicações) 1 31 Núcleo da rede: taxonomia 1 32

17 Estrutura da internet: Rede Ciência, Tecnologia e Sociedade (RCTS) RCTS integrada com outras redes nacionais através do GigaPIX Dados: FCCN (Fev 2015) 1 33 Estrutura da internet: Rede europeia GÉANT de investigação e educação Dados: GÉANT (Jan 2014) 1 34

18 Estrutura da Internet: Redes de investigação e educação globais 1 35 Tópicos O que é a Internet? O que é um protocolo? Estrutura da rede: Orla da rede: dispositivos de acesso, tecnologias de acesso Núcleo da rede: comutação de pacotes e comutação de circuitos, organização estrutural Métricas de desempenho: Perdas, atrasos, fluxo Protocolos: Organização em camadas Modelo de serviços 1 36

19 Perdas e latência de pacotes Mensagem, pacote, segmento, trama: existem diferentes termos relativos a dados transmitidos Os pacotes são colocados em tampões (buffers) nos encaminhadores Perdas: se taxa de chegada maior que taxa de saída Latência: por espera na fila para reencaminhamento A Pacote em transmissão (latência) B Pacotes à espera (latência) Espaço livre no tampão: os pacotes que chegam são descartados (perdas) se não houver espaço livre 1 37 Fatores de latência em cada nó A transmissão propagação B processamento espera na fila t nó = t proc + t fila + t trans + t prop t proc : processamento no nó verificar erros nos bits determinar ligação de saída tipicamente < msec t fila : espera na fila até que ligação de saída esteja livre depende do nível de congestão no encaminhador 1 38

20 Fatores de latência em cada nó A transmissão propagação B processamento espera na fila t nó = t proc + t fila + t trans + t prop t trans : tempo de transmissão: T: Tamanho do pacote (bits) D: Débito do canal (bps) t trans = T/D t trans e t prop Muito diferentes t prop : tempo de propagação: d: distância de transm. (m) v: velocid. de prop. (~2x10 8 m/s) t prop = d/v 1 39 Variação do latência média na fila Atraso médio D: Débito do canal (bps) T: Tamanho pacote (bits) c: taxa média de chegada de pacotes Atraso médio na fila ct/d ~ 0: pequena latência média na fila ct/d -> 1: grande latência média na fila ct/d > 1: mais pacotes a chegarem do que os que podem ser despachados, latência média infinita! Intensidade tráfego = ct/d ct/d ct/d ~

21 Perda de pacotes Os tampões têm capacidade limitada Se o tampão (fila de espera) estiver cheio, os pacotes são descartados (e perdidos) Um pacote perdido pode ser retransmitido pelo nó anterior, pela aplicação de origem, ou simplesmente ignorado A tampão (espera) pacote em transmissão B pacote que está a chegar e que é perdido 1 41 Taxa de transferência (throughput) Taxa de transferência: taxa (bits/unidade de tempo) a que os bits são transferidos do emissor para o recetor Não pode ser maior do que o débito (bandwidth) dos canais usados na transferência Pode ser medida de diferentes formas: instantânea: taxa num determinado instante média: taxa ao longo de um maior período de tempo 1 42

22 Taxa de transferência (throughput) D A < D B Qual a taxa de transferência média? D A bits/seg D B bits/seg D A > D B Qual a taxa de transferência média? D A bits/seg D B bits/seg Canal de estrangulamento Canal ou ligação no caminho entre dois nós da rede que restringe a taxa de transferência entre estes nós 1 43 Tópicos O que é a Internet? O que é um protocolo? Estrutura da rede: Orla da rede: dispositivos de acesso, tecnologias de acesso Núcleo da rede: comutação de pacotes e comutação de circuitos, organização estrutural Métricas de desempenho: Perdas, atrasos, fluxo Protocolos: Organização em camadas Modelo de serviços 1 44

23 Protocolos em camadas As redes são complexas e compostas por vários elementos: Nós terminais Encaminhadores Ligações de vários tipos Aplicações Protocolos (em hardware e software) Camadas: cada camada concretiza um determinado serviço Através de ações realizadas na própria camada Usando serviços de camadas inferiores Fornecendo serviços a camadas superiores 1 45 Pilha de protocolos da Internet aplicação: código e protocolos das aplicações distribuídas (usam rede) FTP, SMTP, HTTP transporte: transferência de mensagens de processo a processo TCP, UDP rede: encaminhamento de pacotes da origem ao destino IP, protocolos de encaminhamento ligação: transferência de tramas entre elementos de rede vizinhos Ethernet, (WiFi), PPP físico: meio de transporte de bits aplicação transporte rede ligação físico 1 46

24 Modelo de referência ISO/OSI apresentação: nível que concretiza serviços para ajudar aplicações a interpretarem os dados, p. ex., lidando com compressão, cifra, byte order sessão: sincronização, salvaguarda, recuperação de dados trocados Estes níveis não são considerados na pilha de protocolos da Internet! Se forem necessários podem ser concretizados noutros níveis (p.ex. aplicação). aplicação apresentação sessão transporte rede ligação físico 1 47 mensagem segmento Datagrama/pacote trama H t H n H t H l H n H t M M M M origem aplicação transporte rede ligação físico Encapsulamento ligação físico switch H l H t H n H t H n H t M M M M destino aplicação transporte rede ligação físico H l H n H t H n H t M M rede ligação físico H n H t M router 1 48

25 Entidades pares (peer) 1 49 : Sumário Ao concluir o estudo deste módulo deverá ter capacidade para: Identificar os objetivos da unidade curricular Descrever a sequência de tópicos a abordar Enumerar a bibliografia Identificar a página da disciplina como a principal ferramenta de comunicação extra-aulas Enumerar alguns dos conteúdos que serão disponibilizados na página da disciplina Enumerar as componentes de avaliação da unidade curricular, os seus pesos e objetivos Descrever os métodos de avaliação utilizados 1 50

26 : Sumário Ao concluir o estudo deste módulo deverá ter capacidade para: Caracterizar a Internet Distinguir o núcleo da franja da rede Caracterizar as franjas da rede Distinguir as redes de acesso dos sistemas terminais Enumerar exemplos de sistemas terminais Distinguir diferentes tipos de tecnologias de acesso, nomeadamente: ADSL, HFC (Híbrido Fibra ótica e Coaxial), Fibra ótica, Ethernet, Wi-Fi, Outras redes sem fio (redes celulares, satélite) Caracterizar e distinguir redes de comutação de pacotes e redes de comutação de circuitos Descrever o conceito de multiplexagem estatística Compreender as vantagens e desvantagens das redes de comutação de pacotes comparativamente às redes de comutação de circuitos no contexto de aplicações concretas 1 51 : Sumário Ao concluir o estudo deste módulo deverá ter capacidade para: Caracterizar as diferentes fontes de atraso nas redes comutadas por pacotes Indicar quais destas fontes são comuns à comutação por circuito Distinguir os conceitos de: perdas (loss), latência (delay), variação de latência, débito (largura de banda), taxa de transferência (throughput) Descrever a contribuição de cada um dos seguintes conceitos para a latência: tempo de processamento, tempo de propagação, tempo de transmissão, tempo em filas de espera Indicar de que forma cada um dos tempos anteriores contribui para a variação da latência Definir e caracterizar o conceito de protocolo Compreender a organização em 7 níveis do modelo de camadas OSI Enumerar e caracterizar os 5 níveis do modelo de camadas da Internet Justificar o argumento extremo-a-extremo utilizado na Internet Distinguir o cliente e o servidor numa dada aplicação 1 52

27 Bibliografia Slides das aulas Computer Networking: a top-down approach featuring the Internet. 6th Edition. J. Kurose and K. Ross. Addisson Wesley Capítulo 1 TCP/IP Tutorial and Technical Overview, IBM Redbooks, December Outros elementos de estudo complementares indicados na página da unidade curricular Obrigado pela vossa atenção! Questões finais? Redes de Computadores () 1 54