Interconexão à Internet. Professor Gabriel Francisco Pistillo Fernandes

Transcrição

1 Interconexão à Inter Professor Gabriel Francisco Pistillo Fernandes

2 Os slides a seguir foram traduzidos e adaptados do conteúdo original disponibilizado pelos autores Jim Kurose, Keith Ross. All material copyright J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved

3 Introdução objetivo: Visão geral e terminologia (continuando aula anterior) Será aprofundado adiante Partiremos da Inter tópicos: O que é a Inter? O que é um protocolo? Borda de rede; hosts, rede de acesso, meio físico Core de rede: comutação de pacotes/circuitos, estrutura da Inter performance: perda, delay, throughput segurança Camadas de protocolo, modelos de serviço Histórico

4 O que é a Inter PC servidor laptop smartphone links wireless links cabo Milhões de dispositivos de computação conectados: hosts = sistemas finais aplicações de rede em execução Links de comunicação fibra, cobre, rádio, satélite taxa de transmisão: largura de banda rede móvel rede doméstica ISP global ISP regional roteador Comutação de pacotes: encaminha pacotes (porções de dados) roteadores e switches rede institucional

5 O que é a Inter Inter: rede de redes ISPs interconectados protocolos controlam envio e recepção de mensagens p.ex., TCP, IP, HTTP, Skype, padrões de Inter RFC: Request for comments IETF: Inter Engineering Task Force rede móvel rede doméstica ISP global ISP regional rede institucional

6 O que é a Inter: uma visão de serviços Infraestrutura que provê serviços para aplicações: Web, VoIP, , games, e- commerce, redes sociais, provê interface de programação para apps ganchos que permitem envio e recepção de programs aplicativos para conectar a Inter provê opções de serviços, análoga aos Correios rede móvel rede institucional rede doméstica ISP global ISP regional

7 Aplicações de inter Torradeira web com previsão do tempo Porta retrato IP Tweet-a-watt: monitor de uso de energia geladeira conectada Slingbox: assistir e controlar TV a cabo remota Inter fones

8 O que é um protocolo? Protocolos humanos: perguntas interjeições apresentações msgs específicas enviadas ações específicas tomadas quando as mensagens são recebidas ou outros eventos Protocolos de rede: máquina a máquina toda a comunicação na Inter é governada por protocolos protocolos definem formato, ordem de msgs enviadas e recebidas entre entidades de rede, e ações tomadas na transmissão e recepção da msg

9 O que é um protocolo? um protocol humano e um protocol de rede de computadores: Oi Oi Tem horas? 2:00 tempo TCP requisita conexão resposta de conexão TCP Get <arquivo>

10 Uma visão mais próxima da estrutura: Borda de rede: hosts: clientes e servidores servidores em data centers rede móvel ISP global Redes de acesso, meio físico: links de comunicação, cabeados e sem fio rede doméstica ISP regional Core de rede: roteadores interconectados rede de redes rede institucional

11 Redes de acesso e meio físico Como conectar sistemas finais a roteadores de borda? redes de acesso residencial redes de acesso institucional (escolas, empresas) redes de acesso móveis considerar: qual largura de banda (bits por segundo) da rede de acesso? compartilhado ou dedicado?

12 Rede de acesso: digital subscriber line (DSL) central telefônica rede telefônica modem DSL splitter DSLAM voz e dados transmitidos em diferentes frequências em linha dedicada para a central telefônica Multiplexador de acesso DSL ISP Utiliza linha telefônica existente para o DSLAM na central dados na linha telefônica DSL vão para a Inter voz na linha telefônica DSL vai para a PSTN Taxa de transmissão de upload < 2.5 Mbps (tipicamente < 1 Mbps) Taxa de transmissão de download < 24 Mbps (tipicamente < 10 Mbps)

13 Rede de acesso: rede cabo (coaxial) modem cabo splitter headend cabo 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 D O D A D O C O N T R O L E multiplexação por divisão de frequência: canais diferentes transmitidos em diferentes bandas de frequência

14 Rede de acesso: rede cabo (híbrida) headend cabo modem cabo splitter CMTS cable modem termination system dados e TV transmitidos em diferentes frequências em cabo compartilhado de rede de distribuição ISP HFC: híbrido fibra-coaxial assimétrico: até 30Mbps de taxa de transmissão de download, 2 Mbps de taxa de transmissão de download rede de cabo, fibra liga casas ao roteador do ISP casas compartilham rede de acesso ao headend de cabo no DSL acesso a central é dedicado

15 Rede de acesso: rede doméstica dispositivos wireless podem ser combinados em um único equipamento de/para headend ou central telefônica modem cabo ou DSL ponto de acesso wireless (54 Mbps) routeador, firewall, NAT Ether cabeado (100 Mbps)

16 Rede de acesso: rede institucional (Ether) link institucional ao ISP (Inter) roteador institucional switch Ether servidores institucionais de , web servers tipicamente usadas em empresas, universidades, etc Taxas de transmissão 10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps hoje, sistemas finais tipicamente conectam em switches Ether

17 Redes de acesso sem fio Acessos de rede sem fio compartilhados conectam sistema final ao roteador via estação base, ou point LANs sem fio: Um prédio (30m) b/g (WiFi): taxa de trnsmissão 11, 54 Mbps Accesso wan sem fio provido pela operadora, 10 s km entre 1 and 10 Mbps 3G, 4G: LTE para Inter para Inter

18 Host: envia pacotes da dados Função de envoi do host: leva mensagem da aplicação quebra em pedaços menores, chamados pacotes, de tamanho L bits transmite pacotes em redes de o a taxas de transmissão R taxa de transmissão do link, ou capacidade do link, ou (largura de) banda do link 2 host 1 dois pacotes, L bits cada R: taxa de transmissão do link atraso na transmissão de pacotes tempo necessário para transmitir L-bit pacote no link = = L (bits) R (bits/seg)

19 Meio físico bit: propaga-se entre transmissor/receptor em pares Link físico: o que fica entre transmissor & receptor meio guiado: sinais propagam em meio sólido: cobre, fibra, coaxial meio não guiado: sinais propagam-se livremente, e.x., rádio par trançado (TP) dois fios de cobre isolados Categoria 5: 100 Mbps, 1 Gpbs Ether Categoria 6: 10Gbps

20 Meio físico: coaxial, fibra cabo coaxial: dois condutores de cobre concêntrico bidirecional banda larga: múltiplos canais no cabo HFC cabo de fibra ótica: fibra de vidro carregando pulsos de luz, cada pulso é um bit operação de alta velocidade: transmissão ponto a ponto de alta velocidade (e.x., taxa de transmissão de10 s- 100 s Gpbs) baixa taxa de erro: repetidores espaçados imune a interferência eletromagnética

21 Meio físico: rádio sinal carregado em espectro eletromagnético sem fio físico bidirecional efeitos do ambiente de propagação: reflexão obstrução por objetos interferência tipos de link de rádio: microondas terrestre e.x. canais até 45 Mbps LAN (e.x., WiFi) 11Mbps, 54 Mbps WAN (e.x., celular) 3G celular: 5Mbps; 4G: 60Mbps satélite Canais até 45Mbps (ou múltiplos canais menores) Atraso 270 msec fim-a-fim geosíncrono versus baixa altitude

22 Core de Rede malha de roteadores interconectados packet-switching: hosts quebram mensagens da camada de aplicação em pacotes encaminham pacotes de um roteador para o próximo, por links no caminho da origem ao destino cada pacote transmitido na capcidade total do link

23 Packet-switching: guardar-e-encaminhar L bits por pacote origem R bps R bps destino leva L/R segundos para transmitir (push out) L-bit pacotes no link a R bps guardar e encaminhar: o pacote complete deve chegar ao roteador antes de ser transmitido no próximo link atraso fim-a-fim = 2L/R (assumindo atraso de propagação zero) exemplo numérico de um hop: L = 7,5 Mbits R = 1,5 Mbps atraso de transmissão de um hop = 5 seg

24 Packet Switching: atraso de enfileiramento, perda A R = 100 Mb/s C B fila de pacotes aguardando pelo link de saída enfileiramento e perda: R = 1.5 Mb/s Se a taxa de chegada (em bits) ao link excede a taxa de tramissão do link por um período de tempo: pacotes serão enfileirados, aguardando para ser transmitidos no link pacotes podem ser dropped (perdidos) se a memória (buffer) encher D E

25 Core de Rede: duas funções chave roteamento: determina rota origem-destino tomada pelos pacotes algoritmos de roteamento encaminhamento: movimentam pacotes da entreda do roteador para o roatedor de saída apropriado algoritmo de roteamento local forwarding table cabeçalho link saída end. dest. no cabeçalho do pacote chegando

26 Core Alternativo: comutação de circuitos recursos fim-afim alocados, reservados para call entre origem & destino: No diagrama, cada link tem quatro circuitos. call pega 2 º circuito no link de cima e 1 º circuito no link da direita. Recursos dedicados: sem compartilhamento performance de circuito (garantida) Segmento do circuito ocioso se não usado pelo call (sem compartilhamento) Comumente utilizado em redes tradicionais de telefonia

27 Comutação de circuitos: FDM versus TDM FDM Exemplo: 4 usuários frequência TDM tempo frequência tempo

28 Comutação de pacotes versus de circuitos comutação de pacotes possibilita maior número de usuários na rede! exemplo: Link 1 Mb/s Cada usuário: 100 kb/s quando ativo ativo 10% do tempo comutação de circuitos: 10 usuários comutação de pacotes: com 35 usuários, probabilidade > 10 ativos ao memso tempo é menor que 0,0004 N usuários Link 1 Mbps

29 Comutação de pacotes versus de circuitos A comutação de pacotes ganha sempre? Bom para rajadas de dados Compartilhamento de recursos Mais simples, sem setup de call possível congestionamento: atraso e perda de pacotes protocolos necessários para transferência confiável e controle de congestionamento Q: Como prover comportamento de circuito? banda garantida necessária para áudio/vídeo ainda não resolvido (QoS, tempo real ) Q: quais analogias de recursos reservados (circuit switching) versus alocação sob demanda (packetswitching) podemos estabelecer?

30 Estrutura da Inter: rede de redes Sistemas finais conectam-se a Inter via ISPs de acesso (Inter Service Providers) ISPs residenciais, empresariais e universidades Os ISPs de acesso devem ser interconectados. Assim quaisquer dois hosts podem enviar pacotes entre si Rede de redes resultante é bastante complexa Evolução foi dirigida por políticas nacionais e razões econômicas

31 Estrutura da Inter: rede de redes Pergunta: dados milhões de ISPs de acesso, como conectá-los?

32 Estrutura da Inter: rede de redes Opção: conectar cada ISP a todos os demais ISPs? conectar cada ISP entre si diretamente não escala: O(N 2 ) conexões.

33 Estrutura da Inter: rede de redes Opção: conectar cada ISP a um ISP global de trânsito? Cliente e provedores ISPs tem acordo econômico. global ISP

34 Estrutura da Inter: rede de redes Mas se um ISP global é um negócio viável, haverá concorrência ISP A ISP B ISP C

35 Estrutura da Inter: rede de redes Mas se um ISP global é um negócio viável, haverá concorrência que também deve ser interconectada! Ponto de troca de Inter ISP A IXP IXP ISP B ISP C Link de peering

36 Estrutura da Inter: rede de redes e redes regionais podem surgir para conectar redes de acesso aos ISPs ISP A IXP IXP ISP B ISP C rede regional

37 Estrutura da Inter: rede de redes e provedores de conteúdo (ex., Google, Microsoft, Akamai) podem operar suas próprias redes, para levar serviços e conteúdo mais próximo dos usuários finais ISP A ISP B ISP B IXP Rede de provedor de conteúdo IXP rede regional

38 Estrutura da Inter: rede de redes Tier 1 ISP Tier 1 ISP Google IXP IXP IXP Regional ISP Regional ISP ISP ISP ISP ISP ISP ISP ISP ISP ao centro: pequeno nº de grandes redes bem conectadas tier-1 ISPs comerciais (ex., Level 3, Sprint, AT&T, NTT, TIWS), cobertura nacional & internacional rede de provedor de conteúdo (ex., Google): rede privada que conecta seus data centers à Inter, fazendo bypass de ISPs tier-1 e regionais

39 Tier-1 ISP: ex., Sprint POP: point-of-presence de/para backbone peering de/para clientes

40 Como ocorrem atrasos e perdas? pacotes enfileiram nos buffers do roteador Taxa de chegada de pacotes ao link (temporariamente) excede capacidade de saída do link pacotes na fila, esperando sua vez pacote sendo transmitido (atraso) A B pacotes enfileirando (atraso) Buffers livres (disponíveis): pacotes chegando são derrubados (perda) se não há buffer livre

41 Quatro fontes de atraso de pacotes A transmisão propagação B processamento nodal enfileiramento d nodal = d proc + d enfil + d trans + d prop d proc : processamento nodal verifica bits de erros determina link de saída em geral < msec d enfil : atraso de enfileiramento Tempo esperando no link de saída pela tranmissão Depende do nível de congestionamento no roteador

42 Quatro fontes de atraso de pacotes A propagação B processamento nodal enfileiramento d nodal = d proc + d enfil + d trans + d prop d trans : atraso de transmisão: L: comprimento do pacote (bits) R: banda do link (bps) d trans = L/R d trans e d prop muito diferentes d prop : atraso de propagação: d: comprimento do link físico s: velocidade de propagação no meio (~2x10 8 m/sec) d prop = d/s

43 Analogia do comboio 100 km 100 km Comboio de 10 carros pedágio pedágio carros propagam a 100 km/h pedágio leva 12 seg para atender (tempo de transmissão do bit) car~bit; comboio ~ pacote Q: Quanto tempo irá levar até a caravan alinhar-se antes do 2º pedágio? tempo de empurrar o comboio pelo 1º pedágio na estrada = 12*10 = 120 seg tempo para o ultimo carro percorrer do 1º ao 2º pedágio: 100km/(100km/h)= 1 h R: 62 minutos

44 Caravan analogy (more) 100 km 100 km Comboio de 10 carros pedágio pedágio suponha agora que os carros propagam-se a 1000 km/h e suponha que o pedágio leva 1 min por carro Q: Os carros chegarão ao 2º pedágio antes de todos os carros serem atendidos no 1º? R: Sim! Depois de 7 min, 1º carro chega no segundo pedágio; três carros ainda estão no primeiro pedágio.

45 Atraso de enf. médio Atraso de enfileiramento (revisitado) R: banda do link (bps) L: tamanho do pacote (bits) a: media da taxa de chegada de pacotes Intersidade de trânsito = La/R La/R ~ 0: atraso médio de enf. baixo La/R -> 1: atraso médio de enf. alto La/R > 1: mais trabalho chegando, do que pode ser feito, tempo médio de enf. infinito! La/R ~ 0 La/R -> 1

46 Atrasos reais de Inter e rotas Como funciona na prática? programa traceroute: provê medição de atraso do roteador origem fim-a-fim pela Inter até o destino. Para todos i: envia três pacotes que chegarão ao roteador i no caminho ao destino roteador i retornará pacotes ao originador originador marca os intervalos de tempo entre a transmissão e a resposta. 3 probes 3 probes 3 probes

47 Atrasos reais de Inter e rotas 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. ( ) 16 ms 11 ms 13 ms 5 jn1-so wae.vbns. ( ) 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. ( ) 109 ms 102 ms 104 ms 10 de.fr1.fr.geant. ( ) 113 ms 121 ms 114 ms 11 renater-gw.fr1.fr.geant. ( ) 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. ( ) 135 ms 128 ms 133 ms ( ) 126 ms 128 ms 126 ms 17 * * * 18 * * * 19 fantasia.eurecom.fr ( ) 132 ms 128 ms 136 ms 3 medidas de atraso de gaia.cs.umass.edu para cs-gw.cs.umass.edu link trans-oceânico * sem resposta (probe perdido, roteador não responde)

48 Perda de pacotes fila (ou buffer) antes do link em buffer tem capacidade finita pacotes chegando a uma fila cheia são perdidos Pacotes perdidos podem ser retransmitidos pelo nó anterior, pela Sistema fim fonte, ou não ser restransmitido A buffer (área de espera) pacote sendo transmitido B pacote chegando ao Buffer cheio é perdido

49 Throughput throughput: taxa (bits/unidade de tempo) na qual bits são transferidod entre remetente/destinatário instantâneo: taxa em um dado ponto no tempo média: taxa por um período mais longo de tempo server server, sends withbits (fluid) file of into F bits pipe to send to client link pipe capacity that can carry R s bits/sec fluid at rate R s bits/sec) link pipe capacity that can carry R c bits/sec fluid at rate R c bits/sec)

50 Throughput (mais) R s < R c Qual é o throughput médio fim-a-fim? R s bits/sec R c bits/sec R s > R c Qual é o throughput médio fim-a-fim? R s bits/sec R c bits/sec bottleneck link on end-end link path that constrains end-end throughput

51 Throughput: cenário da Inter throughput por conexão fim-a-fim: menor(r c,r s,r/10) na prácica: R c or R s é o gargalo R s R s R s R R c R c R c 10 conexões (justamente) compartilham um link backbone engarrafado de R bits/sec

52 Camadas de protocolo Redes são complexas, com muitos pedaços : hosts roteadores links de vários meios aplicações protocolos hardware, software Q: há alguma esperança de organizar a estrtura de rede? ou pelo menos o estudo de redes?

53 Organização de uma viagem aérea ticket (compra) bagagem (check) portões (carga) decolagem ticket (reclamação) bagagem (retirada) portões (descarga) aterrisagem rota do avião rota do avião rota do avião uma série de passos

54 Funcionamento de uma aérea em camadas ticket (purchase) ticket (complain) ticket baggage (check) baggage (claim bagagem gates (load) gates (unload) portão runway (takeoff) runway (land) decolagem/pouso airplane routing airplane routing airplane routing airplane routing rota do avião Aeroporto de saída Centros intermediários de controle de tráfego aéreo Aeroporto de chegada camadas: cada camada implementa um serviço Pelas ações na própria camada Dependendo de serviços da camada acima

55 Por que camadas? Lidando com sistemas complexos: Estrtura explícita permite identificação e relacionamento da partes de um sistema complexo modelo de referência em camadas para estudo modularização facilita manutenção e atualização do sistema Mudança na implementação da camada de serviço transparente para as demais ex., mudança no procedimento de portões não afeta o resto do serviço Pode ser perigoso?

56 Pilha de protocolo de Inter aplicação: suporta a aplicações de rede FTP, SMTP, HTTP transporte: transferência de dados processo-a-processo TCP, UDP rede: roteamento de datagramas da origem ao destino IP, protocolos de roteamento link: transferência de dados entre elementos de rede vizinhos Ether, (WiFi), PPP físico: bits no fio aplicação transporte rede link físico

57 Modelo de referência ISO/OSI apresentação: permite aplicações interpretarem significado de dados, ex., criptografia, compresão, convenções específicas de máquina sessão: sincronização, checkpointing, recuparação de troca de dados Pilha de Inter stack faltando essas camadas! Estes serviços, se necessários, devem ser implementados na aplicação São necessários? aplicação apresentação sessão transporte rede link físico

58 segment datagram frame message H l H t H n H t H n H t M M M M source application transport work link physical Encapsulamento link physical switch H l H n H n H t H t H t M M M M destination application transport work link physical H l H n H n H t H t M M work link physical H n H t M roteador

59 Segurança de redes Área de Segurança de redes: Como redes podem ser atacadas Como defender-se contra ataques Como desenhar arquiteturas de redes imunes a ataques A Inter não foi desenhada originalmente com (muita) segurança em mente Visão original: um grupo de usuários com confiança mútua conectados a uma rede transparente Desenvolvedores do protocol de Inter correndo atrás Preocupações sobre segurança em todas as camadas!

60 Malware em hosts via Inter O malware pode chegar ao host de: vírus: infecção auto-replicada pelo recebimento/execução de arquivo (ex., anexo de e- mail) worm: infecção auto-replicada pela recepção passiva do arquivo que se auto executa spyware malware pode gravar digitação, sites visitados e fazer upload da info. coletada Host infectado pode ser alistado a uma bot, usada para spam e ataques DDoS

61 DoS Denial of Service (DoS): atacantes tornam recursos (servidor, banda) indisponível ao tráfego legítmo pela exaustão do recurso com tráfego falso 1. seleciona alvo 2. entra em hosts pela rede (forma bot) 3. envia pacotes ao alvo dos hosts infectados target

62 Sniffing sniffing de pacotes: Mídia broadcast (Ether compartilhado, wireless) Interface de rede promíscua lê/grava todos os pacotes (ex., senhas!) passando A C src:b dest:a payload B software wireshark é um packet-sniffer gratuito

63 Endereços falsos IP spoofing: envia pacotes com endereços de remetente falsos A C src:b dest:a payload B mais sobre segurança adiante no curso Resumo

64 Backup (Tópico coberto na Aula 1, pode ser revisitado aprofundando)

65 Inter history : Early packet-switching principles 1961: Kleinrock - queueing theory shows effectiveness of packetswitching 1964: Baran - packetswitching in military s 1967: ARPA conceived by Advanced Research Projects Agency 1969: first ARPA node operational 1972: ARPA public demo NCP (Network Control Protocol) first host-host protocol first program ARPA has 15 nodes Introduction 1-65

66 Inter history : Interworking, new and proprietary s 1970: ALOHA satellite work in Hawaii 1974: Cerf and Kahn - architecture for interconnecting works 1976: Ether at Xerox PARC late70 s: proprietary architectures: DEC, SNA, XNA late 70 s: switching fixed length packets (ATM precursor) 1979: ARPA has 200 nodes Cerf and Kahn s interworking principles: minimalism, autonomy - no internal changes required to interconnect works best effort service model stateless routers decentralized control define today s Inter architecture Introduction 1-66

67 Inter history : new protocols, a proliferation of works 1983: deployment of TCP/IP 1982: smtp protocol defined 1983: DNS defined for name-to-ip-address translation 1985: ftp protocol defined 1988: TCP congestion control new national works: Cs, BIT, NSF, Minitel 100,000 hosts connected to confederation of works Introduction 1-67

68 Inter history 1990, 2000 s: commercialization, the Web, new apps early 1990 s: ARPA decommissioned 1991: NSF lifts restrictions on commercial use of NSF (decommissioned, 1995) early 1990s: Web hypertext [Bush 1945, Nelson 1960 s] HTML, HTTP: Berners-Lee 1994: Mosaic, later Netscape late 1990 s: commercialization of the Web late 1990 s 2000 s: more killer apps: instant messaging, P2P file sharing work security to forefront est. 50 million host, 100 million+ users backbone links running at Gbps Introduction 1-68

69 Inter history 2005-present ~750 million hosts Smartphones and tablets Aggressive deployment of broadband Increasing ubiquity of high-speed wireless Emergence of online social works: Facebook: soon one billion users Service providers (Google, Microsoft) create their own works Bypass Inter, providing instantaneous to search, emai, etc. E-commerce, universities, enterprises running their services in cloud (eg, Amazon EC2) Introduction 1-69

70 Resumo Cobrimos muito material! Visão geral da Inter O que é um protocolo Borda de rede, core, rede de acesso Comutação de pacotes versus circuitos Estrutura da Inter performance: perda, atraso, throughput camadas, modelos de serviço segurança histórico Próximos passos: Agora você tem uma ideia da rede Aprofundamento nas próximas aulas!

71 Interconexão à Inter Professor Gabriel Francisco Pistillo Fernandes