Curso de Redes de Computadores

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1 Curso de Redes de Computadores Adriano Mauro Cansian Capítulo 1 Parte 1 Introdução e Conceitos Fundamentais Metas q Veremos os contextos principais. Com uma visão geral e intuitiva de redes. Detalhes serão vistos mais adiante. q Abordagem: Descritiva. Internet será usada como exemplo. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 1

2 Introdução Para onde estamos indo? AGENDA: Para onde a Internet está indo? q De onde vim? q Para onde vamos? q Quais são os desenvolvimentos? q Qual o impacto? Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 2

3 A morte do computador A morte do computador (1) q A era do computador acabou. q Culpado: a única força tecnológica que poderia superar o impacto do computador de gerar e criar informação: A COMUNICAÇÃO Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 3

4 A morte do computador (2) Comunicação: q Mais essencial do que a computação. q Forma pela qual moldamos uma personalidade, uma família, uma empresa, uma nação e um mundo. A morte do computador (3) q A era do computador acabou não fracassou. Ela deu origem a uma nova era. q Ela gerou uma tecnologia que está transformando a cultura, a economia, a política e as nossas vidas de uma forma mais profunda. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 4

5 A morte do computador (4) q Vivemos numa economia da informação. q Grande frustração da era do computador: dificuldade de transmitir a informação. q Tornou-se o recurso mais precioso. Informação é PODER......e informação que não pode ser transmitida torna-se um entrave. O esquife Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 5

6 O novo mundo Informação IMÓVEL... q Instituições maiores e mais estáticas. q Economia menos flexível. q Empregos menos satisfatórios. q Vidas com menos oportunidades. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 6

7 A Internet hoje A Internet hoje q A Internet é hoje uma coleção de capacidades. q Resultado de uma agregação de um conjunto comum de protocolos. Regras, padrões, definições, acordos,... q Sistemas que não se falavam antes, puderam se comunicar entre si. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 7

8 Internet como plataforma de comunicação Hoje confiamos cada vez mais na Internet, para transportar nossa comunicação. Lei de Metcalfe: O valor de uma rede aumenta proporcionalmente ao poder de todas as máquinas a ela acopladas. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 8

9 Forças que movem a evolução Deve ser considerado: q O que está acontecendo com o mercado. q O que está acontecendo com a tecnologia. q Quais são as forças culturais que regem a Internet. Exigências do mercado (1) q Ama-se a tecnologia, mas preocupa-se com o custo. Deve-se Compartilhar a tecnologia, tornando seu uso tão eficiente quanto possível. O preço da tecnologia diminui, mas nunca é barata. Quanto mais barata, mais são desenvolvidas aplicações maravilhosas, que exigem ainda mais tecnologia. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 9

10 Exigências do mercado (2) q As pessoas passaram a acreditar que a Internet é real, e veio para ficar. As pessoas esperam que as coisas funcionem. Disponibilidade total; Segurança total; Confiabilidade total; e Em escala industrial. Exigências do mercado (3) q Flexibilidade: Se toda a vez que você tiver uma uma tecnologia ou uma nova aplicação, você tiver que redefinir e redesenhar seu sistema, está tudo acabado! q As pessoas esperam que os sistemas possam acomodar novas capacidades. q Plug, integrate, &...f* on business! Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 10

11 Resumo das exigências do mercado q Uso eficiente dos recursos de T.I. Equipamentos, armazenagem, aplicações, dados,... q Infra-estrutura em escala industrial. Disponibilidade contínua, segurança total,... q Flexibilidade de integração. Aplicações, pessoas, tecnologia,... q Liberdade de desenvolvimento. Distribuído, centralizado, terceirizado,... Moore s Law (1965) q Descreve a predição de que o poder computacional dos processadores dobra a cada 18 meses. q Significa um crescimento tecnológico de 50 a 60% da capacidade, a cada ano. Em 5 anos a tecnologia será 10 vezes melhor, 10 vezes mais rápida,10 vezes mais diferente, e 10 vezes mais valiosa. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 11

12 A evolução das velocidades locais q 2,9 Mbps, 10 Mbps, 20 Mbps, 100 Mbps q Mbps (1 Gbps) q Os produtos de Mbps estão chegando ao mercado comum. q Em 15 anos a velocidade das redes locais passou de 2,9 Mbps para Mbps. Enquanto isso, na Internet... (1) q Hoje é possível colocar lambdas em uma única fibra ótica. 10 Gbps em cada lambda (comprimento de onda) Até 864 fibras num único cabo lambdas x 10 Gbps = 8,6 petabits / seg 8,6 x bps ou 8,6 quatrilhões de bits por segundo. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 12

13 Enquanto isso, na Internet... (2) q 8 petabits / seg é vezes a média total de tráfego de telecomunicações disponível em toda a infra-estrutura global de q 8 petabits representava TODO o tráfego na Internet em 1995, num mês inteiro! q Este tráfego pode ser transportado hoje num único cabo de fibra óptica. 38 ( Cabo submarino ) q Primeira mensagem enviada pelo Oceano Atlântico, em agosto de q Telegrama da Rainha Victoria (UK) para o Presidente Buchanan (USA). q Levou 7 horas e 40 minutos para ser enviado. Tinha 99 palavras, consistindo de 509 letras. q Este primeiro cabo submarino intercontinental não permitia transmitir mais que 6 palavras por hora, ou, uma palavra a cada 10 minutos! q 38 Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 13

14 Enquanto isso, na Internet... (3) q O tráfego total na Internet, e a largura de banda usada, dobra a cada 3 ou 4 meses! q No ritmo presente de progresso a Internet algum dia executará gigabits isócronos (em tempo real). O impacto da mudanças excederá os sonhos da maioria dos futuristas tecnológicos. 38 Enquanto isso, na Internet... (4) q Os mercados precisam aprender a se avaliar. q As empresas enfrentam HOJE menos de 1% do volume de tráfego que podem esperar daqui há 5 anos. q Obrigará a reordenação de todos os negócios. 38 Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 14

15 Ao final desta gigantesca ascensão: A economia da informação - das arquiteturas internas dos chips às topologias de rede - assumirá uma forma inteiramente nova. 38 O novo mundo (1) q Plataforma computacional virtual, com recursos globais ilimitados. q Uma agregação de poder computacional Armazenamento, aplicações, memória, dados, dispositivos de I/O, etc... q Internet como um computador virtual. 38 Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 15

16 O novo mundo (2) q Vasta agregação de recursos é claramente muito mais rica que qualquer capacidade que se encontre num computador isolado. 38 Visão geral O que pretendemos: q O que que é a Internet. q O que é um protocolo. q A borda da rede. q O núcleo da rede. q Redes de acesso. q Meios físicos. q Desempenho. Perdas e atraso. q Camadas de protocolo e modelos de serviço. q Backbones, PTTs, provedores. q Um pouco de história. q Resumo. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 16

17 UNESP - SJRP - Curso de Redes de Computadores Capítulo 1 O que que é a Internet: 1- Players q Milhões de computadores interligados: q Microcomputadores, estações, servidores, telefones, PDAs, tablets, games, GPS, robôs, geladeiras, terminais, etc... Rodando aplicações de rede. 2 - Componentes q Enlaces (links) de comunicação. fibra, cobre, rádio, satélite. q Roteadores (routers): encaminham mensagens de dados pela rede. Cada vez mais dispositivos na net Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 17

18 Estrutura da Internet (1) Estrutura da Internet (2) roteador estação servidor móvel ISP Local Provedor de backbone Rede corporativa Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 18

19 Os componentes da Internet q Protocolos: controlam envio, recepção de mensagens: TCP, IP, HTTP, FTP, SSH, etc... etc... Protocolo define uma capacidade. q Internet é a rede de redes. Aproximadamente hierárquica. Internetworking: interconexão de redes. q Padrões Internet RFC: Request for comments. IETF: Internet Engineering Task Force Os serviços na Internet q Infra-estrutura de comunicação: possibilita aplicações distribuídas: WWW, correio, jogos, comércio eletrônico, P2P, bases de dados, eleições, etc... q Dois serviços de comunicação oferecidos: Sem conexão. Orientado a conexão. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 19

20 A Internet e sua explosão para o mundo q Internet dentro do mundo dos negócios: World Wide Web Foi adotado um conjunto de padrões relativamente simples. Permitiu acessar a informação em qualquer lugar. WWW (1) q Hipertexto: A mente humana (...) opera por associação. De posse de um item, ela parte instantaneamente para outro que é sugerido pela associação de pensamentos, de acordo com alguma teia intrincada de trilhas levadas pelas células do cérebro Vannevar Bush RAND Co. (United States Armed Forces / Douglas Aircraft Company) Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 20

21 WWW (2) q Theodore Nelson (Xanadu Network) q 1992 / 1993 Marc Andreesen e Eric Bina (NCSA - Illinois) Tim Berners-Lee (CERN - Suíça) q Acadêmica. q Idéia certa, feita pelos motivos errados: A ligação de 200 cientistas a um pequeno número de supercomputadores. A Internet chega ao mundo real Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 21

22 PROTOCOLOS Afinal, o que que é um protocolo? Protocolos humanos: q -Que horas são? q -Tenho uma dúvida. q Cumprimentos / Apresentações. mensagens específicas enviadas. ações específicas adotadas ao receber mensagens. Protocolos de rede: q Máquinas ao invés de gente. q Toda comunicação na Internet é governada por protocolos. FORMALISMO: Protocolos definem o formato, a ordem, e as ações adotadas ao enviar ou receber uma mensagem entre componentes da rede Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 22

23 O que que é um protocolo? Um protocolo humano e um protocolo de rede : Oi! Oi! Que horas são? 2:00 Tempo TCP pedido de conexão. TCP resposta. Get <arquivo> Detalhes sobre a estrutura da rede q Borda (edge) da rede: aplicações e hosts. q Núcleo (core) da rede: Roteadores. Rede de redes. q Redes de acesso são formadas pelos meios físicos: enlaces (links) de comunicação. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 23

24 A borda da rede: q Sistemas terminais: Rodam aplicações Exemplo: WWW, correio Na borda da rede. q Modelo cliente/servidor Cliente solicita e recebe serviço do servidor. Exemplo: cliente WWW (browser) / servidor; Cliente / servidor de . P2P. VoIP Serviços com e sem conexão. Borda da rede Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 24

25 Borda da rede: serviço orientado a conexão (1) q Meta do serviço: transferência de dados entre sistemas. q handshaking : preparação para iniciar transferência. Protocolo humano: Oi! - Oi! Serve para criar estado entre 2 sistemas que desejam se comunicar. q TCP - Transmission Control Protocol É o serviço orientado a conexão da Internet. Borda da rede: serviço orientado a conexão (2) Características do Serviço TCP [RFC 793]: q Fluxo de bytes ordenado e confiável: Quando há perdas: confirmações e retransmissões q Controle de fluxo: Transmissor rápido não vai afogar um receptor. q Controle de congestionamento: Transmissor reduz a taxa de envio quando rede fica congestionada. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 25

26 Borda da rede: serviço sem conexão Meta do serviço: transferência de dados entre sistemas Pergunta: Mas é a mesma meta que antes?!? q UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: Serviço sem conexão da Internet. Transferência de dados não confiável. Sem controle de fluxo. Sem controle de congestionamento. Aplicações Aplicações usando TCP: q HTTP (WWW), FTP (transferência de arquivo), Telnet (acesso remoto), SMTP (correio), ssh,... Aplicações usando UDP: q Mídia com streamming, teleconferências, telefonia pela Internet. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 26

27 Núcleo (core) da Rede q Malha conexa de roteadores. q A questão fundamental: como se transfere dados através da rede? Comutação de circuitos: circuito dedicado por chamada: rede de telefonia Comutação de pacotes: dados enviados pela rede em quantias discretas ( pedaços ). Comutação de CIRCUITOS Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 27

28 Núcleo da Rede: comutação de circuitos (1) Recursos fim a fim reservados para a chamada. q Banda baseada na capacidade de comutação. q Recursos dedicados: não há compartilhamento. q Desempenho é garantido. q Requer fase inicial ( setup ). Núcleo da Rede: comutação de circuitos (2) Recursos de rede dividido em pedaços. Por exemplo: Banda (bandwidth) q Pedaços alocados para as chamadas. q Recurso fica ocioso se não é usado pela chamada. q Não há compartilhamento. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 28

29 Exemplo: q Um circuito de 1 Mbps só pode acomodar 10 usuários que consomem 100 Kbps. Estejam eles transmitindo ou não. q Digamos que os usuários só transmitam 10% do tempo: há muita ociosidade do canal. Será comparado mais adiante. Núcleo da Rede: comutação de circuitos (3) Divisão de banda em pedaços q Divisão por freqüência (FDMA - Frequency Division Multiplexing Access) q Divisão por tempo (TDMA - Time Division Multiplexing Access) Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 29

30 Comutação de Circuitos: FDMA e TDMA FDMA Exemplo: 4 usuários Freqüência TDMA tempo Freqüência tempo Comutação de PACOTES Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 30

31 Núcleo da Rede: comutação de pacotes (1) Cada fluxo de dados da origem ao destino é dividido em pacotes: q Pacotes compartilham recursos. q Cada pacote usa a banda inteira do enlace. Veremos exemplo mais adiante. Divisão de banda Alocação dedicada Reserva de recursos q Recursos usados sob demanda. Núcleo da Rede: comutação de pacotes (2) Contenção de recursos: q Demanda agregada pode exceder os recursos disponíveis. q Congestionamento: Fila de pacotes em espera para uso do enlace. q Armazena e re-encaminha (forward): 1. Pacotes passam por um enlace a cada vez. 2. Transmite através do enlace. 3. Aguarda vez para o próximo. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 31

32 Núcleo da Rede: comutação de pacotes (3) Exemplo de Comutação de pacotes: armazena e re-encaminha (store-and-forward) q q Cada link 1,5 Mbps 7,5 Mbits = 5000 pacotes de 1,5 Kbits Coisas acontecem ao mesmo tempo: 1o. Pacote leva 1 ms até router 1 1o. Pacote leva 2 ms até router 2 Mas pacote 2 já começa a vir para router 1 = 1 ms 1o. Pacote chega ao destino em 3ms enquanto isso o pacote 2 chega no router 2 em 2 ms etc Tempo total para os 5000 pacotes é de 5,002 seg. Núcleo da Rede: comutação de pacotes (3) q Cada link 1,5 Mbps q Total de 7,5 Mbits para transmitir = 5000 pacotes de 1,5 Kbits Coisas acontecem ao mesmo tempo: 1º. Pacote leva 1 ms até router 1 1º. Pacote leva 2 ms até router 2 q Mas pacote 2º. já começa a vir para router 1 = 1 ms. q 1o. Pacote chega ao destino em 3ms. q Enquanto isso o pacote 2 chega no router 2 em 2 ms. etc Tempo total para os 5000 pacotes é de 5,002 seg. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 32

33 Comutação de pacotes X comutação de circuitos (1) Comutação de pacotes permite admitir mais usuários! q Enlace de 1 Mbps. q Suponha que cada usuário: 100 Kbps quando ativo Ativo 10% do tempo N usuários enlace de 1 Mbps q Comutação de circuitos: Comporta só 10 usuários. Tem que reservar a banda toda. Comutação de pacotes X comutação de circuitos (2) Comutação de pacotes permite admitir mais usuários! q Enlace de 1 Mbps. q Cada usuário: 100 Kbps quando ativo Ativo 10% do tempo q Comutação de pacotes: Probabilidade de haver um usuário específico ativo é 0,1 (ou seja, 10%). Se houver 35 usuários: a probabilidade de haver mais de 11 ou mais usuários ativos simultâneos é menor que 0,0004 (Exercício) N usuários enlace de 1 Mbps Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 33

34 Comutação de pacotes X comutação de circuitos (3) q Usuário quando ativo gera dados a 100 Kbps. Prob. de MAIS de 10 usuários ativos é Prob. 10 ou MENOS usuários ativos é q Moral da estória: numa rede de packet switching de 1 Mbps existe probabilidade P = dos 35 usuários terem disponível a mesma banda que existiria em uma rede circuit switching de 1 Mbps com 10 usuários. Suporta 3 vezes mais usuários que circuit switch. Comutação de pacotes X comutação de circuitos (3) Comutação de pacotes será sempre o melhor? q Vantagens: Ótimo para dados em rajadas. Compartilha recursos. Não requer inicialização do circuito (setup). q Problemas: Se há congestionamento excessivo: ocorrem retardo e perdas. Mas, há protocolos para transferência confiável de dados e controle de congestionamento. Como prover (simular) comportamento de circuitos? Como oferecer garantias de banda necessárias para aplicações de áudio/vídeo. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 34

35 Redes de pacotes e roteamento q Meta: mover pacotes entre roteadores da origem ao destino. Serão estudados algoritmos de seleção de rota (Cap. 4) q Rede de datagramas: endereço de destino determina próximo passo. rotas podem mudar durante uma sessão. analogia: dirigindo, perguntando o caminho. q Rede de circuitos virtuais: Cada pacote carrega rótulo (ID de circuito virtual), rótulo determina próximo passo. Rota fixa determinada em tempo de estabelecimento da chamada, permanece fixa durante a chamada. Roteadores mantêm estado por chamada. Redes de acesso e meio físico Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 35

36 Redes de acesso e meios físicos q Como ligar sistemas terminais ao 1º. roteador? Redes de acesso residencial. Redes de acesso institucional (escola, empresa, etc...). Redes de acesso móvel. Características principais: Qual a Banda (bits per second) da rede de acesso? É Compartilhada ou dedicada? Meios físicos: cabo coaxial, fibra Cabo coaxial: q Fio (portador do sinal) dentro de um fio (blindagem) Banda básica: canal único no cabo. Banda larga: múltiplos canais no cabo. q Bidirecional. q Uso era comum em Ethernet de 10Mbps Cabo de fibra ótica: q Fibra de vidro iluminada por pulsos de luz q Operação de alta velocidade: Ethernet de 100Mbps Transmissão de alta velocidade ponto a ponto (p.ex., 10 Gbps) q Baixa taxa de erros. q 2 tipos de fibra: monomodo, multimodo. Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 36

37 Cabo fibra ótica e coaxial Meios físicos q Enlace físico: Bit de dados transmitido propaga através do enlace. q Meio guiado: Sinais propagam em meios sólidos: cobre, fibra. q Meios não guiados: Sinais propagam livremente, p.ex., rádio Par trançado (Twisted Pair - TP) q Dois fios isolados de cobre. Categoria 3: fio telefônico tradicional, ethernet de 10 Mbps Categoria 5: ethernet de 100Mbps Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 37

38 Meios físicos: rádio (1) q Sinal enviado pelo espectro eletromagnético. q Sem fio físico. q Bidirecional. q Efeitos sobre propagação do ambiente: Reflexão. Obstrução por objetos. Interferência. Meios físicos: rádio (2) Tipos de enlace de rádio: q Microondas p.ex. canais até 155 Mbps q Rede local (p.ex b, G e N) 11Mbps, 54Mbps, 300 Mbps q Longa distância (p.ex., celular) p.ex. CDPD, 10 s Kbps ou 3G em alta velocidade. q Satélite Canais de até 50Mbps (ou múltiplos canais menores) Retardo ponto a ponto de 270 ms. Geosíncrono X LEOS (Low Earth Orbit Satellite) Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 38

39 Meios físicos: rádio (3) Acesso residencial: acesso ponto a ponto q Discado via modem (dial-up) até 56Kbps, acesso direto ao roteador. q ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line Até 34 Mbps do roteador a casa. Até 4 Mbps de casa ao roteador. Disponibilidade de ADSL : Telefônica, Oi, etc... Canal Voice: de 0 a 4 KHz Canal Upload: 4KHz a 50 KHz Canal Download: 50 KHz e 1 MHz Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 39

40 Acesso residencial: cable modems q HFC: hybrid fiber coax (Cable) assimétrico: até 30Mbps download e 2 Mbps para upload. q Rede de cabo e fibra liga a casa ao roteador do provedor. Acesso compartilhado ao roteador pelas casas. Problemas: dimensionamento, congestionamento. Disponibilidade: via companhias de TV a cabo. Cable Modem Network (HFC) Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 40

41 Acesso institucional: redes locais q Rede local (LAN) liga sistema terminal ao 1º. roteador. q Ethernet: cabo compartilhado ou dedicado usado para acesso ao roteador: 100 Mbps, 1 Gbps q Disponibilidade: Corporações e instituições, redes domésticas... q LANs - Redes locais. Atrasos / Delays Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 41