Redes de Computadores e a Internet

Transcrição

1 Redes de Computadores e a Internet Magnos Martinello Universidade Federal do Espírito Santo - UFES Departamento de Informática - DI Laboratório de Pesquisas em Redes Multimidia - LPRM 2010

2 Agenda 1.1 O que é a Internet? 1.2 Borda da Rede Sistemas finais, redes de acesso, enlaces 1.3 Núcleo da Rede Comuntação de circuito, comutação de pacote, estrutura da Internet e ISPs 1.4 Atraso, perda e vazão em redes de comutação de pacotes 1.5 Camadas de protocolos e modelo de serviço 1.6 Historia 2

3 Taxonomia da rede Taxonomia de Redes de Telecomunicações Rede de datagramas não é nem orientada à conexão A Internet provê serviços orientados à conexão (TCP) e serviços sem orientação à conexão (UDP) 3

4 Redes de comutação de pacotes: Redes roteamento de comutação de pacotes Objetivo: mover pacotes entre roteadores da origem ao destino Algoritmos de seleção de caminhos (capítulo 4) Redes datagrama: O endereço de destino determina o próximo salto 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 O caminho é fixo e escolhido no instante de estabelecimento da conexão, permanece fixo durante toda a conexão Roteadores mantêm estado por conexão 4

5 Estrutura da Internet e ISPs Fracamente hierárquica No centro: ISPs de zona-1 (ex.: UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T), cobertura nacional/internacional Conectam-se diretamente a cada um dos outros ISPs de nível 1 Conectam-se a um grande número de ISP nível 2 Têm cobertura internacional A Zona-1 provê interconexão (peer) de modo privativa ISP Zona-1 ISP Zona-1 NAP ISP Zona-1 A Zona-1 tamb provê intercon nos pontos de acesso (NAPs) rede pública 5

6 Backbone da Rede Nacional de Ensino e Pesquisa - RNP 6

7 Estrutura da Internet e ISPs 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 de Zona-2 paga ao ISP de Zona-1 pela conectividade ao resto da Internet ISP de 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 ISP Zona-2 ISP Zona-2 ISPs de Zona-2 também provêem conexão entre si ISP Zona-2 7

8 Estrutura da Internet e ISPs 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 local ISP Zona-3 ISP Zona-2 ISP Zona-1 ISP Zona-2 ISP ISP local local ISP local ISP Zona-1 ISP local ISP Zona-2 NAP ISP Zona-1 ISP Zona-2 ISP local ISP local ISP Zona-2 ISP local 8

9 Estrutura da Internet e ISPs Um pacote passa através de muitas redes ISP local ISP Zona-3 ISP Zona-2 ISP local ISP Zona-1 ISP local Tier-2 ISP NAP ISP local ISP local ISP Zona-1 ISP Zona-2 ISP local ISP Zona-1 ISP Zona-2 ISP local ISP Zona-2 ISP local 9

10 Agenda 1.1 O que é a Internet? 1.2 Borda da Rede Sistemas finais, redes de acesso, enlaces 1.3 Núcleo da Rede Comutação de circuito, comutação de pacote, estrutura da Internet e ISPs 1.4 Atraso, perda e vazão em redes de comutação de pacotes 1.5 Camadas de protocolos e modelo de serviço 1.6 Historia 10

11 Quatro fontes de atraso de pacote 1. Processamento nodal 2. enfileramento A checar bit errors Determinar enlace de saída transmissão propagação Tempo esperando pela transmissão no enlace de saída Depende do nível de congestionamento no roteador B processamento enfileramento 11

12 Como atrasos e perdas ocorrem? Filas de pacotes em buffers de roteadores Taxa de chegada de pacotes ao link ultrapassa a capacidade do link de saída Fila de pacotes esperam por sua vez pacote sendo transmitido (atraso) A B enfileiramento de pacotes (atraso) Espaço no buffer livre (disponíveis): pacotes chegando descartados (perda) se não houver espaço livre 12

13 Quatro fontes de atraso de pacote 3. Atraso de transmissão: R = largura de banda do link (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 da luz de propagação no meio (~2x10 8 m/s) Atraso de propagação = d/s Observar: s e R são medidas muito diferentes! 13

14 caravana pedágio de 10 carros Carros se propagam a 100 km/h Pedágios levam 12 s para atender um carro (tempo de transmissão) Carro = bit; caravana = pacote P.: Quanto tempo levará até a caravana ser alinhada antes do 2 o pedágio? Tempo para empurrar a caravana toda pelo pedágio até a estrada = = 120 s Tempo para o último carro se propagar do 1 o ao 2 o pedágio: 100 km/(100 km/h) = 1 h R.: 62 minutos Analogia da Caravana 100 km 100 km pedágio 14

15 Analogia da Caravana 100 km 100 km caravana de 10 carros pedágio pedádio Agora os carros se propagam a km/h Agora o pedágio leva 1 min para atender um carro P.: Os carros chegarão ao 2 o pedágio antes que todos os carros tenham sido atendidos no 1 o pedágio? R.: Sim! Após 7 min, o 1 o carro está no 2 o pedágio e ainda restam 3 carros no 1 o pedágio 1 o bit do pacote pode chegar ao 2 o roteador antes que o pacote seja totalmente transmitido pelo 1 o roteador! Veja Ethernet applet no AWL Web site 15

16 Atraso Nodal d no =d proc +d fila +d trans +d prop d proc = atraso de processamento Tipicamente uns poucos microssegundos ou menos d fila = atraso de fila Depende do congestionamento d trans = atraso de transmissão = L/R, significante para links de baixa velocidade d prop = atraso de propagação Uns poucos microssegundos a centenas de milissegundos 16

17 Atraso na fila R = largura de banda do link (bps) L = tamanho do pacote (bits) A = taxa média de chegada de pacotes 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! 17

18 Atraso na fila 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 18

19 Atrasos e rotas na Internet Traceroute: gaia.cs.umass.edu to Três medidas de atraso de gaia.cs.umass.edu para csgw.cs.umass.edu 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 link transoceânico * sem resposta (perda de probe, roteador não responde) 19

20 Perda de Pacotes A fila que precede o link possui capacidade finita Quando um pacote chega a uma fila cheia, ele é descartado (isto é, perdido) O pacote perdido pode ser retransmitido pelo nó anterior, pelo sistema final do emissor, ou não ser retransmitido 20

21 Throughput Throughput: taxa (bits/unidade de tempo) na qual os bits são transferidos entre o emissor/receptor Instantaneo : taxa em um dado ponto no tempo Médio: taxa sobre um período longo do tempo Servidor server, envia with (fluido) file of em F bits um to send tubo to client Tubo link pode capacity carregar fluído R bits/sec s a taxa R bits/seg s Tubo link pode capacity carregar R bits/sec c R bits/seg) c 21

22 Throughput (Vazão) R s < R c Qual é a vazão média fim a fim? R s bits/sec R c bits/sec R s > R c Qual é a vazão média fim a fim? Enlace gargalo R s bits/sec R c bits/sec Enlace on caminho fim-a-fim que limita a vazão 22

23 Throughput na Internet Vazão fim a fim porconexão: min(r c,r s,r/10) Na prática: R c ou R s é frequentemente o gargalo R s R s R s R R c R c R c 10 conexões (justamente) compartilham um enlace do backbone de capacidade R bits/seg 23

24 Agenda 1.1 O que é a Internet? 1.2 Borda da Rede Sistemas finais, redes de acesso, enlaces 1.3 Núcleo da Rede Comutação de circuito, comutação de pacote, estrutura da Internet e ISPs 1.4 Atraso, perda e vazão em redes de comutação de pacotes 1.5 Camadas de protocolos e modelo de serviço 1.6 Historia 24

25 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? 25

26 Viagem aérea Uma série de passos 26

27 Camada de funcionalidades do sistema aéreo Camadas: cada camada implementa um serviço Via suas próprias ações internas Confiando em serviços fornecidos pela camada inferior 27

28 Por que camadas? Tratando com sistemas complexos: A estrutura explícita permite identificação, 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? 28

29 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 application transport network link physical 29

30 Modelo de referência ISO/OSI apresentação: permite aplicações interpretar o significado dos dados, e.g., criptografia, compressão, convenções específicas de máquina sessão: sincronização, checkpointing, recuperação de dados Na pilha da Internet falta estas camadas! Tais serviços, se necessário, devem ser implementados na aplicação application presentation session transport network link physical 30

31 segmento datagrama quadro mensagem H l H t H n H t H n H t M M M M origem application transport network link physical Encapsulamento link physical comutador H l H n H n H t H t H t M M M M destino application transport network link physical H l H n H n H t H t M M network link physical H n H t M roteador 31

32 Agenda 1.1 O que é a Internet? 1.2 Borda da Rede Sistemas finais, redes de acesso, enlaces 1.3 Núcleo da Rede Comutação de circuito, comutação de pacote, estrutura da Internet e ISPs 1.4 Atraso, perda e vazão em redes de comutação de pacotes 1.5 Camadas de protocolos e modelo de serviço 1.6 Historia 32

33 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 hospedeirohospedeiro Primeiro programa de ARPAnet cresce para 15 nós 33

34 História da Internet : Internetworking, new and proprietary nets 1970: ALOHAnet rede via satélite no Havaí 1974: Cerf and Kahn - arquitetura para interconexão de redes 1976: Ethernet no Xerox PARC Final dos anos 70: arquiteturas proprietárias: DECnet, SNA, XNA Final dos anos 70: comutação com pacotes de tamanho fixo (precursor do ATM ) 1979: ARPAnet tem 200 nodos Princípios de interconexão de redes de Cerf e Kahn s: Minimalismo, autonomia - não se exigem mudanças internas para interconexão de redes Modelo de serviço: melhor esforço Roteadores stateless Controle descentralizado definem a arquitetura de hoje da Internet 34

35 História da Internet : novos protocolos, profiferação de redes 1983: implantação do TCP/IP 1982: é definido o protocolo smtp 1983: é definido o DNS para tradução nome-para-ip 1985: é definido o protocolo ftp 1988: controle de congestionamento do TCP Novas redes nacionais: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel hosts conectados na confederação de redes 35

36 História da Internet 1990, 2000: comercialização, a Web, novas aplicações Inicio dos anos 90: ARPAnet descomissionada (extinta) 1991: NSF retira restrições sobre o uso comercial da NSFnet (descomissionada em 1995) Inicio dos anos 90: Web hypertexto [Bush 1945, Nelson 1960 s] HTML, HTTP: Berners-Lee 1994: Mosaic, depois Netscape Final dos anos 90: comercialização da Web Final de : Mais aplicações killer apps : instant messaging, P2P file sharing, Skype, Youtube, jogos, PPLive Segurança em rede torna-se mais importante 50 milhões de hosts, 100 milhões de usuários Enlaces no backbone rodando a taxas de Gbps 36

37 Resumo Cobriu-se uma tonelada de material! Visão geral da Internet O que é um protocolo? Borda da rede, núcleo, rede de acesso Comutação de pacotes versus comutação de circuitos Estrutura da Internet/ISP Desempenho: perda, atraso, vazão Camadas e modelos de serviços História Você agora tem: Contexto, visão geral, sentimento das redes Mais profundidade e detalhes virão mais adiante no curso 37