1. Redes de computadores e Internet. Objetivos. Bibliografia. Redes de Computadores

Transcrição

1 1. Redes de computadores e Inter Redes de Computadores Objetivos Dar uma panorâmica geral das s de computadores e da Inter Visão da floresta Contacto com terminologia e conceitos básicos Principais componentes Princípios arquiteturais centrais A profundidade vai surgir mais à frente, nos próximos módulos As árvores Bibliografia [Kurose&Ross], Capítulo 1 NOTA Os acetatos que se seguem não substituem a bibliografia aqui referida, e deverão por isso ser vistos apenas como um complemento para o estudo da matéria. 1

2 Plano do módulo O que é a Inter? O que é um protocolo? Estrutura da Edge (borda) Core (núcleo) Medidas de desempenho Atraso Perda de pacotes Taxa de transferência Protocolos em camadas e modelos de serviço Redes sob ataque Plano do módulo O que é a Inter? O que é um protocolo? Estrutura da Edge (borda) Core (núcleo) Medidas de desempenho Atraso Perda de pacotes Taxa de transferência Protocolos em camadas e modelos de serviço Redes sob ataque O que é a Inter? Milhões de computadores ligados em múltiplos dispositivos, muito variados PCs servidores portáteis móvel ISP global telemóveis Variados tipos de ligações físicas fibra, cobre, rádio, satélite doméstica ISP regional Ligações sem fio Ligações com fio Encaminhadores: encaminham pacotes (pedaços de informação) routers e switches institucional router 2

3 Ubiquidade da Inter Torradeira com ligação Web com previsão meteorológica! Moldura com ligação IP Tweet-a-watt: watt: Monitor de gasto de energia Frigorífico com ligação à Inter Telefones IP Buzzword do momento: a Inter das Coisas (Inter of Things) O que é a Inter? Inter: das s Os protocolos têm papel central controlam o envio e a receção de mensagens e.g., TCP, IP, HTTP, Skype, Standards Inter: garantia de interoperabilidade entre equipamentos RFC: Request for comments IETF: Inter Engineering Task Force móvel institucional doméstica ISP global ISP regional A importância dos standards 3

4 O que é a Inter? Infraestrutura que fornece serviços às aplicações: Web, VoIP, , games, e- commerce, social s, móvel ISP global Fornece uma interface de programação para as aplicações Facilitando o desenvolvimento de aplicações distribuídas Permitindo que elas se liguem institucional doméstica ISP regional Plano do módulo O que é a Inter? O que é um protocolo? Estrutura da Edge (borda) Core (núcleo) Medidas de desempenho Atraso Perda de pacotes Taxa de transferência Protocolos em camadas e modelos de serviço Redes sob ataque Protocolos humanos Olá. Introdução à comunicação Tenho uma pergunta. RC é fixe? Pedido/pergunta Desculpa, não percebi. Podes repetir? Confirmação negativa Ah, OK, percebi. Claro! Confirmação positiva e resposta. Notas importantes são transmitidas mensagens específicas são tomadas ações específicas quando as mensagens são recebidas (ou quando ocorrem outros eventos, tipo erros na comunicação) O que é um protocolo Protocolos de Parecidos, mas em vez de humanos, temos máquinas Toda a comunicação na Inter é regida por protocolos Os protocolos definem o formato e a ordem das mensagens enviadas e recebidas pelas entidades de, e as ações despoletadas quando se recebem mensagens 4

5 O que é um protocolo? Protocolo humano vs protocolo de Olá Olá Que horas são? 2:00 time TCP connection request TCP connection response Get <file> Plano do módulo O que é a Inter? O que é um protocolo? Estrutura da Edge (borda) Core (núcleo) Medidas de desempenho Atraso Perda de pacotes Taxa de transferência Protocolos em camadas e modelos de serviço Redes sob ataque Rede: plano aproximado Rede edge (borda da ) Sistemas terminais: clientes e servidores Servidores muitas vezes em grandes centros de dados (data centers) Redes de acesso com fios ou sem fios Rede core (núcleo da ) Ligações entre routers A das s móvel doméstica ISP global ISP regional institucional 5

6 Redes de acesso Q: como ligar os sistemas terminais aos routers da borda? Redes de acesso residenciais (ADSL, cabo, fibra ótica) Redes de acesso institucionais (escolas, empresas): Ether, WiFi Redes móveis (3G, 4G) Ter em atenção: Qual a largura de banda (bits por segundo) da de acesso? É uma partilhada ou dedicada? ADSL central telefónica Rede telefónica Modem DSL splitter Voz e dados transmitidos usando frequências diferentes sobre uma linha dedicada para a central telefónica DSLAM DSL multiplexer ISP Usa a linha telefónica existente para a central telefónica, agora equipada com uma DSLAM Os dados que seguem sobre a linha DSL vão para a Inter A voz que segue sobre a mesma linha DSL (mas em frequências diferentes) vai para a telefónica Taxas de transmissão dependem da qualidade da linha e da distância à central, mas tipicamente: Uploads abaixo dos 10 Mbps Downloads de algumas dezenas de Mbps Rede cabo (HFC) Cabeça da Modem splitter cabo 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 C O N D D T A A R T T O A A L Channels Rede partilhada Usa FDM (frequency division multiplexing) para fazer a partilha: Diferentes canais são transmitidos em diferentes bandas de frequência 6

7 Rede cabo (HFC) Modem splitter cabo CMTS Sistema terminal Dados e TV transmitidos em diferentes frequências sobre uma de cabo coaxial partilhado ISP HFC: hybrid fiber coax Taxas de transmissão semelhantes a ADSL Rede de cabo coaxial seguida de fibra ótica até ao router do ISP As várias casa partilham o cabo coaxial até à cabeça da Ao contrário de ADSL, que usa uma linha dedicada até à central telefónica Rede fibra ótica Ligações por fibra ótica entre o ponto de acesso (OLT, Optical Line Terminator) e as casas (ONU: Optical Network Unit) Na imagem é uma ótica de acesso chamada passiva, mas há outras arquiteturas Vantagens Taxas de transmissão muito mais elevadas do que tecnologias ADSL e cabo (centenas de Mbps ou mesmo Gbps) Maior fiabilidade (fibra ótica imune a ruído eletromagnético) e maiores distâncias com altas taxas de transmissão (menos perdas no transporte das ondas EM) Redes empresariais (Ether) Ligação para o ISP (Inter) Router da instituição Switch Ether Servidores de mail e web da instituição Muito usada em empresas e universidades Taxas de transmissão de 10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps No futuro próximo 40Gbps e 100Gbps A maior parte dos terminais liga-se a um switch Ether 7

8 Redes de acesso sem fios para a Inter para a Inter Redes partilhadas, sem fios, que ligam os sistemas terminais a um router Através de uma estação base ou ponto de acesso Wireless LANs: Dentro de edifícios (dezenas de metros) b/g (WiFi): 11, 54 Mbps Redes de acesso sem fios de wide-area Redes móveis, dezenas de km Entre 1 e 10 Mbps 3G, 4G, LTE, WiMAX Rede residencial Dispositivos sem fios Muitas vezes estes dois equipamentos vêm juntos num só Ponto de acesso sem fio (tipicamente 54 Mbps) router, firewall, NAT Ether (tipicamente 100 Mbps) com fios Modem cabo ou ADSL refletir.com Numa de cabo (HFC) a largura de banda do canal é dedicada para cada utilizador. Verdadeiro ou falso? 8

9 Plano do módulo O que é a Inter? O que é um protocolo? Estrutura da Edge (borda) Core (núcleo) Medidas de desempenho Atraso Perda de pacotes Taxa de transferência Protocolos em camadas e modelos de serviço Redes sob ataque Rede core Uma malha de encaminhadores interligados Comutação de pacotes: os sistemas terminais partem as mensagens que vêm da aplicação em pacotes Os pacotes são encaminhados de um router para o seguinte, através das várias ligações entre o emissor e o destino Cada um dos pacotes é transmitido à velocidade máxima da ligação Cada pacote pode seguir caminhos distintos Não há reserva de caminho para uma dada ligação Comutação de pacotes: store-and-forward L bits per packet source R bps R bps destination store and forward: o pacote tem de chegar na sua totalidade ao router antes de poder ser transmitido na ligação seguinte Um pacote de L-bits demora L/R segundos a ser transmitido numa ligação a R bps Exemplo numérico L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps Tempo de transmissão numa ligação = 5 segundos 9

10 Comutação de pacotes: filas e perdas A R = 100 Mb/s C B queue of packets waiting for output link R = 1.5 Mb/s D E Se a taxa de chegada de pacotes ao router (bits por segundo) exceder a taxa de transmissão da ligação seguinte então: Os pacotes ficam à espera numa fila No caso de a memória (o buffer) do router encher, os pacotes podem ser perdidos Tipicamente nestas s faz-se o melhor possível, mas sem promessas Redes best-effort Uma alternativa: comutação de circuitos Os recursos são reservados para uma chamada entre o emissor e o destino No diagrama, cada ligação tem 4 circuitos A chamada estabelecida usa 2 circuitos Recursos dedicados: não há partilha Desempenho garantido Problema: o circuito fica reservado para aquela chamada mesmo que não esteja a ser usado (pois: não há partilha) Desperdício! Este é o método tradicionalmente usado nas telefónicas Que hoje em dia começam a migrar para s de comutação de pacotes... Comutação pacotes vs comutação circuitos Exemplo numérico Uma ligação de 1 Mb/s Cada utilizador usa: 100 kb/s quando está ativo E está ativo 10% do tempo N utilizadores 1 Mbps Comutação de circuitos: Máximo de 10 utilizadores Comutação de pacotes: Com 35 utilizadores, a probabilidade de ter > 10 ativos simultaneamente é menor do que 0,04%! Por outras palavras: em 99.96% dos casos a taxa de chegada de pacotes ao router é inferior ou igual à taxa de transmissão da ligação Desempenho garantido sem atrasos nem perdas de pacotes Devido à multiplexagem estatística A comutação de pacotes permite que mais utilizadores usem a! 10

11 Comutação pacotes vs comutação circuitos É a comutação de pacotes a técnica vencedora? É sem dúvida excelente para dados do tipo bursty Tráfego que vem por rajadas, com vários momentos de silêncio Assim permite partilha de recursos Além de ser mais simples, não é necessário estabelecer chamadas como na comutação de circuitos Mas se houver congestão elevada isso pode originar atrasos e perdas de pacotes Necessidade assim de protocolos para garantir que os dados são transferidos de forma fiável, e necessidade de controlo de congestão Torna-se mais complicado oferecer as garantias de desempenho que as s de comutação de circuitos garantem, em especial para tráfego que exija, por exemplo, baixos atrasos e taxas de transmissão constantes refletir.com Suponha que dois utilizadores partilham uma ligação de 2Mbps. Suponha ainda que cada utilizador transmite continuamente a 1Mbps, mas apenas transmite durante 20% do tempo. Se for usada comutação de circuitos, quantos utilizadores são suportados pelo sistema? A = 0; B = 1; C = 2; D = 5; E = 10 Plano do módulo O que é a Inter? O que é um protocolo? Estrutura da Edge (borda) Core (núcleo) Medidas de desempenho Atraso Perda de pacotes Taxa de transferência Protocolos em camadas e modelos de serviço Redes sob ataque 11

12 Estrutura da Inter: das s Os sistemas terminais ligam-se à Inter através dos ISPs (Inter Service Providers) Residenciais, empresariais ou universidades E estes ISPs de acesso têm de estar de alguma forma interligados Para que possamos enviar pacotes para qualquer parte do mundo! A das s resultante é muito complexa E a sua evolução é mais o resultado de políticas económicas e nacionais do que da tecnologia Vamos espreitar a estrutura da Inter... Estrutura da Inter: das s Questão: dados milhares, ou mesmo milhões, de ISPs de acesso, como os ligar todos? Estrutura da Inter: das s Opção 1: ligar cada ISP de acesso a todos os outros ISPs de acesso O(N 2 ) ligações: Não escala! 12

13 Estrutura da Inter: das s Opção 2: ligar cada ISP de acesso a um ISP trânsito global? Necessidade de os ISPs cliente e servidor estabelecerem um acordo económico. global ISP Estrutura da Inter: das s E se ser um ISP global passar a ser um negócio rentável, vão surgir concorrentes, não? ISP A ISP B ISP C Estrutura da Inter: das s E os concorrentes têm de se interligar ISP A Inter exchange point IXP IXP ISP B ISP C ligações de peering 13

14 Estrutura da Inter: das s e ainda podemos ter s regionais para ligar as s de acesso aos ISPs globais ISP A IXP IXP ISP B ISP C regional Estrutura da Inter: das s e até os fornecedores de conteúdos (e.g., Google, Microsoft, Akamai) podem correr as suas próprias s de modo a trazer os serviços e os conteúdos para mais perto dos utilizadores ISP A IXP Content provider work IXP ISP B ISP B regional Estrutura da Inter: das s Tier 1 ISP Tier 1 ISP Google IXP IXP IXP Regional lisp Regional lisp ISP ISP ISP ISP ISP ISP ISP ISP E assim é, de facto, a Inter... E funciona. 14

15 Plano do módulo O que é a Inter? O que é um protocolo? Estrutura da Edge (borda) Core (núcleo) Medidas de desempenho Atraso Perda de pacotes Taxa de transferência Protocolos em camadas e modelos de serviço Redes sob ataque Porque é que há atrasos e perdas de pacotes? Quando chegam aos routers os pacotes vão para uma fila de espera Se a taxa de chegada de pacotes a uma ligação exceder, temporariamente, a capacidade da ligação de saída os pacotes têm de esperar pela sua vez num buffer do router Pacote a ser transmitido (atraso) A B Pacotes na fila de espera (atraso) Quando não há espaço livre no buffer > perda de pacotes Os 4 fatores de atraso dos pacotes A B processamento fila de espera t nó = t proc + t fila + t trans + t prop t proc : processamento no nó Verificar se há erros Decidir ligação de saída para o pacote Tipicamente < ms t fila : espera na fila Tempo que se espera para aceder à ligação de saída para transmissão Depende do nível de congestão do router 15

16 Os 4 fatores de latência dos pacotes transmissão A propagação B processamento fila de espera t nó = t proc + t fila + t trans + t prop t trans : tempo de transmissão Tempo para colocar o pacote na ligação t trans = T/D T: tamanho do pacote (bits); D: débito da ligação (bps) t prop : tempo de propagação Tempo para o sinal (onda eletromagnética) chegar ao router destino t prop = d/v d: distância de transmissão, v: velocidade de propagação do sinal (~2x10 8 m/s) Estes dois valores podem ser muito diferentes: Ver animação em Atraso médio na fila de espera Intensidade de tráfego: ct/d D: Débito do canal (bps) T: Tamanho pacote (bits) c: taxa média de chegada de pacotes Análise do gráfico ct/d ~ 0: pequena latência média na fila ct/d -> 1: elevada latência média na fila ct/d > 1: mais pacotes a chegar do que os que podem ser despachados, latência média infinita! Atraso médio na fila Atraso médio Intensidade tráfego = ct/d ct/d ~ 0 ct/d ct/d -> 1 Como medir o atraso real na Inter? Aplicação traceroute Fornece informação de atraso, desde o emissor até ao destino em todo o percurso Pacotes perdidos ou Experimentem! router que não respondeu Aqui na FCUL No nosso fornecedor de serviço (FCCN) Passeio pela Europa até à Alemanha (Madrid, Geneva, Frankfurt) Já nos EUA. Reparem como o atraso aumentou o tempo de propagação para atravessar o Atlântico é elevado! 16

17 Perda de pacotes As filas de espera (buffers)têm capacidade finita Quando um pacote chega a um buffer cheio é descartado (perdido) O pacote perdido pode ser retransmitido pelo nó anterior, retransmitido pelo emissor, ou pode mesmo não ser retransmitido Depende do protocolo! A buffer (fila de espera) Pacote a ser transmitido B Um pacote que chega a um buffer cheio é perdido Taxa de transferência (throughput) A taxa (bits/s) a que os bits são transferidos entre o emissor e o recetor instantânia: taxa num dado momento média: taxa ao longo de um dado período de tempo O servidor envia bits ( fluido ) pelo cano O primeiro cano transporta o fluido a uma taxa de R s bits/s O segundo cano transporta o fluido a uma taxa de R c bits/s Servidor vai enviar ficheiro de F bits ao cliente Capacidade da ligação R s bits/s Capacidade da ligação R c bits/s refletir.com Qual a taxa de transferência média em cada um dos dois casos? R s < R c R s bits/sec R c bits/sec R s > R c R s bits/sec R c bits/sec A: R s nos dois casos B: R c nos dois casos C: R s no de cima e R c no de baixo D: R c no de cima e R s no de baixo 17

18 R s < R c Taxa de transferência (throughput) Qual a taxa de transferência média? R s bits/sec R c bits/sec R s > R c Qual a taxa de transferência média? R s bits/sec R c bits/sec Ligação de estrangulamento (bottleneck) Ligação no percurso total que limita a taxa de transmissão Plano do módulo O que é a Inter? O que é um protocolo? Estrutura da Edge (borda) Core (núcleo) Medidas de desempenho Atraso Perda de pacotes Taxa de transferência Protocolos em camadas e modelos de serviço Redes sob ataque Organização em camadas As s são complexas e compostas por vários elementos: Nós terminais (computadores, telemóveis, etc.) Encaminhadores (routers e switches) Ligações de vários tipos (sem fios e com fios) Aplicações (uma miríade) Protocolos (em hardware e software) A organização em camadas permite-nos lidar com esta complexidade A modularização é crucial para a gestão, manutenção e evolução da Alterar a implementação de uma camada não deve afetar outra camada (transparência) Cada camada concretiza um determinado serviço Através de ações realizadas na própria camada Usando serviços de camadas inferiores Fornecendo serviços a camadas superiores 18

19 Analogia com uma empresa de aviação ticket (purchase) baggage (check) gates (load) runway (takeoff) airplane routing airplane routing airplane routing ticket (complain) baggage (claim gates (unload) runway (land) airplane routing ticket baggage gate takeoff/landing airplane routing departure airport intermediate air traffic control centers arrival airport Cada camada implementa um serviço Através das suas ações internas Suportado nos serviços fornecidos pelas camadas inferiores Pilha de protocolos da Inter aplicação: código e protocolos das aplicações distribuídas (que usam a ) FTP, SMTP, HTTP transporte: transferência de mensagens entre processos remotos TCP, UDP : encaminhamento de pacotes da origem ao destino IP, protocolos de encaminhamento ligação: transferência de tramas entre elementos de vizinhos Ether, (WiFi), PPP físico: meio de transporte de bits aplicação transporte ligação de dados físico Modelo de referência ISO/OSI apresentação: nível que concretiza serviços para ajudar aplicações a interpretarem os dados (e.g., lidando com compressão, cifra, ordem de bytes) sessão: sincronização, recuperação de dados trocados Estes níveis não são considerados na pilha de protocolos da Inter! Se forem necessários podem ser concretizados noutros níveis (e.g., aplicação). aplicação apresentação sessão transporte ligação de dados físico 19

20 Encapsulamento origem mensagem segmento H t datagrama H n H t trama H l H n H t M M M M aplicação transporte ligação físico ligação físico switch H t H n H t H l H n H t M M M M destino aplicação transporte ligação físico H n H t H l H n H t M M ligação físico H n H t M router Plano do módulo O que é a Inter? O que é um protocolo? Estrutura da Edge (borda) Core (núcleo) Medidas de desempenho Atraso Perda de pacotes Taxa de transferência Protocolos em camadas e modelos de serviço Redes sob ataque Segurança da Principais questões Como é que um atacante consegue atacar uma de computadores? Como nos podemos defender destes ataques? Como desenhar arquiteturas que são imunes a estes ataques? Quando a Inter foi desenhada os fundadores não tiveram muito em linha de conta o requisito de segurança Visão original: um grupo de utilizadores ligados a uma que se confiam mutuamente Com o passar do tempo, com o enorme crescimento da Inter e com o surgimento de ataques à a preocupação começou a surgir Hoje em dia há protocolos de segurança em todas as camadas da pilha da Inter! 20

21 Ataque #1: colocar malware nos terminais O malware pode ser colocado nos computadores que se ligam à Inter de várias formas vírus: uma infeção que se auto-replica através da recepção e execução pelo utilizador de objetos (e.g., o anexo de um ) worm: uma infeção que se auto-replica através da recepção passiva de um objeto que se consegue autoexecutar Este malware pode executar ações indesejáveis gravar as teclas que digitamos (quem nunca digitou uma palavra passe no seu teclado?), os sites web que visitamos, etc. e depois pode enviar todas esta informação para um servidor controlado pelo atacante Um terminal infetado pode ainda ser utilizado numa bot, e ser usado para enviar spam ou como parte de um ataque de negação de serviço distribuído (DDoS) Tudo isto sem o utilizador do terminal saber! Ataque #2: atacar servidores ou infraestrutura Ataque de negação de serviço (Denial of Service, DoS) Os atacantes indisponibilizam os recursos (servidor, largura de banda) enviando grandes quantidades de tráfego falso, ficando o serviço indisponível para tráfego legitimo 1. Selecionar alvo 2. Infetar múltiplos terminais na (criando uma bot) 3. Enviar pacotes dos terminais comprometidos para o alvo alvo Farejar pacotes (packet sniffing) Uma interface de em modo promíscuo pode ler e gravar todos os pacotes que passam na (incluindo passwords!) Isto é possível em s de tipo broadcast, partilhadas, que funcionam por difusão de pacotes para todos os membros da e.g., Ether ou s sem fios A C src:b dest:a payload B Aluno atento: Mas espera, nas aulas TP nós vamos usar um farejador de pacotes! Um que ainda por cima é grátis, qualquer pessoa pode instalar, correr, e ver todos os pacotes das s que eu normalmente uso! Verdade, não há forma de negar Mas de forma legítima, para fins de ensino! E isto deve motivar-vos para a importância de segurança por exemplo, cifrar todas as comunicações seria um bom princípio 21

22 Ataque #3: usar endereços faslso IP spoofing Enviar um pacotes com um endereço origem falso A C src:b dest:a payload B refletir.com Ao contrário de uma worm, para um vírus se auto-replicar é necessária intervenção humana. Verdadeiro ou Falso? Sumário Visão geral da Inter O que é um protocolo? Estrutura da : edge (borda) e core (núcleo) Medidas de desempenho: atraso, perda de pacotes, taxa de transferência Protocolos em camadas e modelos de serviço Um pouco de segurança Com isto, o que é que já aprenderam? contexto, visão por alto (da floresta ) a seguir: detalhe ( árvores )! 22