Infra-Estrutura de Comunicação (IF678)

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1 Infra-Estrutura de Comunicação (IF678) Módulo I Fonte: kurose Adaptações : Prof. Paulo Gonçalves CIn/UFPE Introdução 1-1

2 Introdução Nosso Objetivo: terminologia Detalhamentos durante o curso abordagem: Uso da Internet como exemplo Agenda: O que é a Internet O que é um protocolo? Extremidade da rede Núcleo da rede Rede de acesso, meio físico Internet/estrutura de um ISP desempenho: perda, atraso Camadas de protocolo, modelos de serviço Modelagem de redes Introdução 1-2

3 Agenda 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Rede de acesso e meio físico 1.5 Estrutura da Internet e ISPs 1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História Introdução 1-3

4 O que é a Internet: infra-estrutura Milhões de dispositivos computacionais conectados: hosts = end systems = extremidade execuçao de aplicações de rede enlaces de comunicação fibra, cobre, rádio, satélite Taxa de transmissão = banda passante roteadores: encaminhamento de pacotes (pedaços de dados) roteador workstation ISP local Rede de uma empresa servidor mobile ISP regional Introdução 1-4

5 Dispositivos internet interessantes Quadro de fotografias IP Torradeira com acesso WEB + Previsão do tempo Menor servidor web do mundo Telefones Internet Introdução 1-5

6 O que é a Internet: infra-estrutura protocolos controle de envio, recebimento de msgs e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP Internet: rede das redes Fracamanente hierárquica Internet pública versus intranet privada Padrões Internet RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force roteador workstation ISP local Rede de uma empresa servidor mobile ISP regional Introdução 1-6

7 O que é a Internet: ponto-de-vista de serviço A infra-estrutura de comunicação permite rodar aplicações distribuídas: Web, , jogos, e- commerce, compartilhamento de arquivos Serviços de comunicação proporcionados às aplicações: Sem conexão e não confiável Orientado à conexão confiável Introdução 1-7

8 O que é um protocolo? Protocolos humanos: que horas são? Tenho uma pergunta Se apresentar msgs específicas enviadas ações específicas tomadas quando msgs são recebidas ou outros eventos ocorrem Protocolos de rede: Máquinas ao invés de humanos Toda atividade de comunicação na Internet é governada por protocolos protocolos definem o formato, a ordem das msgs enviadas e recebidas entre entidades de rede e ações tomadas sobre transmissão e recepção de msgs Introdução 1-8

9 O que é um protocolo? Um protocolo humano e um protocolo de redes de computadores: Olá Olá Que horas são? 14:00 tempo Pedido de conexão TCP Resposta ao pedido de conexão Get <arquivo> Q: Outros protocolos humanos? Introdução 1-9

10 Agenda 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Rede de acesso e meio físico 1.5 Estrutura Internet e ISPs 1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História Introdução 1-10

11 Zoom na infra-estrutura de rede: Extremidade da rede: aplicações e hosts Núcleo da rede: roteadores Rede das redes Redes de acesso, meio físico: enlaces de comunicação Introdução 1-11

12 A extremidade da rede: end systems (hosts): Executam programas/aplicações e.g. Web, na extremidade da rede Modelo cliente/servidor Host cliente requisita/recebe serviços de servidores (alwayson) e.g. Web browser/servidor; cliente/servidor Modelo peer-to-peer model: uso mínimo (ou nenhum) de servidores dedicados e.g. Skype, BitTorrent, KaZaA Introdução 1-12

13 Extremidade da redes: serviço orientado à conexão Objetivo: transferência de dados entre end systems handshaking: preparação (setup) para a transferência de dados Cumprimento entre humanos Estabelecimento de estado nos dois hosts comunicantes TCP - Transmission Control Protocol Serviço orientado à conexão da Internet Serviço TCP [RFC 793] Transferência de dados confiável, em ordem perda: acknowledgements (acks) e retransmissões Controle de fluxo: Emissor (sender) respeitará a capacidade de recebimento de dados do receptor Controle de congestionamento: emissor reduz a taxa de envio quando a rede está congestionada Introdução 1-13

14 Extremidade da rede: serviço nãoorientado à conexão Objetivo tranferência de dados entre end systems Como antes! UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: Não orientado à conexão Transferência de dados não confiável Nenhum controle de fluxo Nenhum controle de congestionamento Apps que usam TCP: HTTP (Web), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP ( ) Apps que usam UDP: Streaming de vídeo, teleconferência, DNS, Telefonia na Internet (VoIP) Introdução 1-14

15 Agenda 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Rede de acesso e meio físico 1.5 Estrutura Internet e ISPs 1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História Introdução 1-15

16 O núcleo da rede Mesh de roteadores interconectados a questão fundamental: como dados são transferidos através da rede? Comutação de circuito: circuito dedicado por chamada: rede telefônica Comutação de pacote: dados enviados através da rede em pequenos pedaços Introdução 1-16

17 O núcleo da rede: Comutação de circuitos Recursos fim-à-fim reservados para a chamada Banda passante do enlace, capacidade de comutação Recursos dedicados: não há compartilhamento Desempenho garantido (semelhante a um circuito) Estabelecimento de chamada (setup) necessário Introdução 1-17

18 Núcleo da rede: Comutação de circuitos Recursos de rede (e.g., banda passante) dividido em partes Partes alocadas às chamadas Parte do recurso livre (idle) se não utilizada por quem fez a chamada (sem compartilhamento) Divisão da banda passante do enlace em partes Divisão de Frequência Divisão de Tempo Introdução 1-18

19 Comutação de circuitos: FDM e TDM FDM Frequency Division Multiplexing Exemplo: 4 usuários frequência tempo TDM Time Division Multiplexing frequência tempo Introdução 1-19

20 Outro exemplo numérico Quanto tempo leva para transmitir um arquivo de 640 kb de um host A a um host B através de uma rede de comutação de circuitos? Enlace de Mbps O enlace usa FDM com 24 canais (frequências) 500 ms para estabelecer um circuito fim-à-fim Um canal é alocado para cada par comunicante Tentem calcular! Introdução 1-20

21 Exemplo Numérico Quanto tempo leva para transmitir um arquivo de 640 kb de um host A a um host B através de uma rede de comutação de circuitos? Enlace de Mbps O enlace usa TDM com 24 slots/segundo 500 ms para estabelecer um circuito fim-à-fim 1 slot/segundo é alocado na comunicação de A para B Tentem calcular! Introdução 1-21

22 Núcleo da Rede: Comutação de pacotes Cada fluxo de dados fim-à-fim é dividido em pacotes Pacotes dos usuários A e B compartilham recursos de rede Cada pacote usa a banda passante máxima do enlace Recursos são usados quando necessário somente Divisão da banda passante em partes Alocação dedicada Reserva de recursos Contenção de recursos: Demanda agregada de recursos pode exceder a quantidade disponível congestionamento: fila de pacotes, espera para uso do enlace store and forward: pacotes atravessam um salto (hop) por vez Nó recebe um pacote completo antes de reencaminhá-lo Introdução 1-22

23 Comutação de pacotes: Multiplexação Estatística A 100 Mb/s Ethernet Multiplexação estatística C B 1.5 Mb/s Fila dos pacotes aguardando envio D E Sequência de pacotes de A & B não possui padrão fixo (compartilhamento sob demanda) multiplexação estatística TDM: cada host recebe o mesmo slot em um quadro (frame) TDM. Introdução 1-23

24 Comutação de pacotes versus comutação de circuitos Comutação de pacotes permite que mais usuários utilizem a rede! Enlace : 1 Mb/s Cada usuário: 100 kb/s quando ativo ativo 10% do tempo Comutação de circuito: 10 usuários Comutação de pacotes: Com 35 usuários, probabilidade > 10 ativos é menor que.0004 N usuários Enlace de 1 Mbps Q: como se chegou ao valor ? Introdução 1-24

25 Comutação de pacotes versus comutação de circuitos Quem é melhor? Comutação de pacotes? Bom para dados enviados em rajadas (bursty data) Compartilhamento de recursos simples, não requer estabelecimento de chamada Congestionamento excessivo: atraso dos pacotes e perdas Necessidade de protocolos para transferência confiável de dados, controle de congestionamento Q: Como prover um comportamento semelhante aos circuitos? Garantia de bw para apps de áudio/vídeo Problema ainda sem solução na Internet Q: analogias humanas para a reserva de recursos (comutação de circuitos) versus alocação sob demanda (comutação de pacotes)? Introdução 1-25

26 Comutação de pacotes: store-andforward L R R R Leva L/R seconds para transmitir um pacote de L bits no enlace (R bps) O pacote inteiro deve chegar ao roteador antes de poder ser transmitido para o próximo enlace: store and forward atraso = 3L/R (assumindo atraso de propagação zero) Exemplo: L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps atraso = 15 sec Mais sobre atraso em breve Introdução 1-26

27 Redes de comutação de pacotes: encaminhamento (forwarding) Objetivo: enviar pacotes através dos roteadores da origem até o destino Função do roteamento (estabelecimento de rotas) Rede de datagramas: Endereço de destino no pacote determina o próximo salto rotas podem mudar durante uma sessão analogia: dirigir, pedir informações Rede de circuito virtual: Cada pacote carrega uma etiqueta (tag - virtual circuit ID), a tag determina o próximo salto Caminho fixo determinado no meomento do setup e permanece fixo durante todo o processo roteadores mantêm estado por chamada Introdução 1-27

28 Taxonomia de Redes Redes de Telecomunicações Redes de Comutação de Circuitos Redes de Comutação de Pacotes FDM TDM Redes com VCs Redes de Datagramas Uma rede de datagramas não é orientada à conexão nem não orientada à conexões. A Internet provê ambos serviços às aplicações: orientado à conexão (TCP) e não orientado à conexão (UDP). Introdução 1-28

29 Agenda 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Rede de acesso e meio físico 1.5 Estrutura da Internet e ISPs 1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História Introdução 1-29

30 Redes de Acesso e Meio físico Q: Como conectar end systems à roteadores de borda? Redes de acesso residencial Redes de acesso institucional (escola, empresas) Redes de acesso móvel Mantenha em mente: Banda passante (bits por segundo) da rede de acesso? Compartilhada ou dedicada? Introdução 1-30

31 Acesso residencial: acesso ponto-à-ponto Dialup via modem até 56Kbps no acesso direto ao roteador (frequentemente menos) Impossível de navegar e telefonar ao mesmo tempo: não pode estar always on ADSL: asymmetric digital subscriber line até 1 Mbps upstream (hoje em dia tipicamente < 256 kbps) até 8 Mbps downstream (hoje em dia tipicamente < 1 Mbps) FDM: 50 khz - 1 MHz for downstream 4 khz - 50 khz for upstream 0 khz - 4 khz for ordinary telephone Introdução 1-31

32 Acesso residencial: cable modems HFC: hybrid fiber coax asymmetric: até 30Mbps downstream, 2 Mbps upstream rede de cabos e fibras que liga a casa ao roteador do ISP Casas compartilham acesso ao roteador disponível através de companhia de TV a cabo Introdução 1-32

33 Acesso residencial: cable modems Diagram: Introdução 1-33

34 Arquitetura da Rede a cabo: Overview Tipicamente de 500 a 5000 casas cable headend cable distribution network (simplificado) casa Introdução 1-34

35 Arquitetura da rede a cabo: Overview servidor(es) cable headend cable distribution network casa Introdução 1-35

36 Arquitetura da rede a cabo: Overview cable headend cable distribution network (simplificado) casa Introdução 1-36

37 Introdução 1-37 Arquitetura da rede a cabo: Overview casa cable headend cable distribution network Channels 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 T A D A T A C O N T R O L FDM:

38 Acesso para Empresas/Universidades: Redes Locais (LANs) Redes locais (LANs Local Area Networks) de empresas/univs conecta end system à roteadores de borda Ethernet: Enlace compartilhado ou dedicado que conecta end system e roteadores 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet LANs: + em breve Introdução 1-38

39 Redes de Acesso Sem Fio acesso sem fio compartilhado conecta end systems à roteadores via estação rádio base aka ponto de acesso wireless LANs: b/g (WiFi): 11 Mbps/54 Mbps Acesso sem fio geograficamente distribuído (wider-area wireless access) Serviço oferecido por operador telecom 3G ~ 320 à 1100 kbps GPRS/EDGE no Brasil Quando chegaremos lá? roteador Ponto De acesso Hosts móveis Introdução 1-39

40 Redes Residênciais Componentes típicos de uma rede residencial: ADSL ou cable modem roteador/firewall/nat Ethernet Ponto de acesso sem fio de/para cable headend cable modem roteador/ firewall Laptops com placa de acesso sem fio Geralmente integrados em um único equipamento Ethernet Ponto de acesso Sem fio Introdução 1-40

41 Meio Físico Bit: propagados entre pares de transmissores/receptores Enlace físico: ligação entre o transmissor e o receptor Meio guiado: sinais se propagam em meio sólido: cobre, fibra, coaxial Meio não guiado: sinais se propagam livremente, e.g., rádio Par trançado (TP twisted pair) 2 fios de cobre isolados Categoria 3: fios de telefone tradicionais, Ethernet 10 Mbps Category 5: Ethernet 100Mbps (4 pares trançados mas apenas 2 utilizados) Introdução 1-41

42 Meio Físico: coaxial, fibra Cabo coaxial: Dois condutores de cobre concêntricos bidirecional Banda-básica: Apenas um canal no cabo legado Ethernet Banda-larga: múltiplos canais no cabo HFC (hibrid fibercoaxial) Cabo de fibra óptica: Fibra de vidro transportando pulsos de luz, cada pulso 1 bit Operação para altas velocidades: Transmissões ponto-àponto de alta velocidade (e.g., 10 s-100 s Gbps) Baixa taxa de erro: repetidores ao longo da linha; imune ao ruído eletromagnético Introdução 1-42

43 Meio Físico: rádio Sinal transportado no espectro eletromagnético Nenhum fio físico bidirecional Efeitos do ambiente na propagação: reflexão Obstrucão por objetos interferência Tipos de enlace de rádio: Microondas terrestre e.g. canais de até 45 Mbps LAN (e.g., Wifi) 11Mbps, 54 Mbps wide-area (e.g., celular) e.g. 3G: centenas de kbps satélite Canais de Kbps a 45Mbps (ou múltiplos canais menores) Atraso fim-a-fim de 270 ms geossícronos versus de baixa altitude Introdução 1-43

44 Agenda 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Rede de acesso e meio físico 1.5 Estrutura Internet e ISPs 1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História Introdução 1-44

45 Estrutura Internet: rede das redes aproximadamente hierárquica no centro: ISPs tier-1 (e.g., Embratel, MCI, Sprint, AT&T, Cable and Wireless), cobertura nacional/internacional Tratam outros como iguais provedores Tier-1 se interconectam privadamente (peer) Tier 1 ISP Tier 1 ISP NAP Tier 1 ISP Provedores Tier-1 também se interconectam a pontos de acesso de redes públicas (network access points - NAPs) Introdução 1-45

46 ISP Tier-1: e.g., Sprint Rede backbone da Sprint US Seattle Tacoma POP: point-of-presence DS3 (45 Mbps) OC3 (155 Mbps) OC12 (622 Mbps) OC48 (2.4 Gbps) do/para o backbone Stockton San Jose Cheyenne peering. Kansas City Chicago Roachdale New York Pennsauken Relay Wash. DC Anaheim De/para clientes Fort Worth Atlanta Orlando Introdução 1-46

47 Estrutura Internet: redes das redes ISPs Tier-2 : ISPs menores (geralmente regionais) Se conectam a um ou mais ISPs tier-1, possivelmente através de outros ISPs tier-2 ISP Tier-2 paga ISP tier-1 para ter conectividade com o resto da Internet ISP tier-2 é cliente do provedor tier-1 Tier-2 ISP Tier-2 ISP Tier 1 ISP NAP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP ISPs Tier-2 também se interligam de forma privada entre si, se interconectam na NAP Tier-2 ISP Introdução 1-47

48 Estrutura Internet: redes das redes ISPs Tier-3 e ISPs locais Última rede de acesso (mais próxima aos end systems) ISPs locais end tier- 3 são clientes de ISPs tier de maior hierarquia que os conecta ao resto da Internet ISP local ISP local Tier 3 ISP Tier 1 ISP Tier-2 ISP Tier-2 ISP ISP local ISP local Tier 1 ISP ISP local Tier-2 ISP NAP Tier 1 ISP Tier-2 ISP ISP local ISP local Tier-2 ISP ISP local Introdução 1-48

49 Rede do Campus da UMass Introdução 1-49

50 Estrutura Internet: rede das redes Um pacote passa através de muitas redes! ISP local Tier 3 ISP Tier-2 ISP ISP local Tier 1 ISP ISP local Tier-2 ISP NAP ISP local ISP local Tier 1 ISP Tier-2 ISP ISP local Tier 1 ISP Tier-2 ISP ISP local Tier-2 ISP ISP local Introdução 1-50

51 Provedor de Backbone Nacional (e.g. Embratel) Introdução 1-51

52 Enlaces Internacionais do Backbone da Embratel Introdução 1-52

53 Agenda 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Rede de acesso e meio físico 1.5 Estrutura Internet e ISPs 1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História Introdução 1-53

54 Como ocorrem perdas e atrasos? Pacotes são enfileirados ( bufferizados ) nos roteadores Taxa de chegada de pacotes ao enlace excede a capacidade do link de saída Pacotes são colocados na fila, aguardam ser transmitidos Pacote sendo transmitido (atraso) A B Pacotes na fila (atraso) Espaço disponível na fila: pacotes que chegam são descartados (perda) se não há mais espaço na fila Introdução 1-54

55 4 fontes de atraso de pacotes 1. processamento no nó: A Verificação de erros (bit errors) Determinação do enlace de saída transmissão 2. fila propagação Tempo aguardando transmissão pelo enlace de saída depende do grau de congestionamento do roteador B Processamento no nó fila Introdução 1-55

56 Atraso em redes de comutação de pacotes A 3. Atraso de transmissão: R=banda passante do enlace (bps) L= tamanho do pacote (bits) Tempo para enviar os bits pelo enlace = L/R transmissão propagação 4. Atraso de propagação: d = tamanho do enlace físico s = velocidade de propagação no meio (~2x10 8 m/sec) Atraso de propagação = d/s Nota: s e R são coisas completamente diferentes! B Processamento no nó fila Introdução 1-56

57 Analogia da caravana 100 km 100 km Caravana de 10 carros pedágio Carros se propagam a 100 km/h Pedágio leva 12 sec para servir um carro (tempo de transmissão) carro~bit; caravana ~ pacote Q: Quanto tempo leva para a caravana se alinhar antes do 2º pedágio? pedágio Tempo para a caravana passar pelo 1º pedágio = 12*10 = 120 sec Tempo até o último carro se propagar do 1º ao 2º pedágio: 100km/(100km/h)= 1 hr Resp.: 62 minutos Introdução 1-57

58 Analogia da caravana (continuação) 100 km 100 km Caravana de 10 carros pedágio Carros se propagam a 1000 km/h Pedágio leva 1 min para servir um carro Q: Carros chegarão ao 2º pedágio antes de todos os carros serem servidos no 1º pedágio? pedágio Sim! Após 7 min, 1º carro no 2º pedágio e 3 carros ainda no 1º pedágio. 1º bit de um pacote pode chegar ao 2º roteador antes do pacote ser completamente transmitido pelo 1º roteador! Introdução 1-58

59 Atraso nodal (nodal delay) d nodal d proc d queue d trans d prop d proc = atraso de processamento Tipicamente poucos microsegundos ou menos d queue = atraso de fila (queue) Depende do congestionamento d trans = atraso de transmissão = L/R é significante pata enlaces de baixa velocidade d prop = atraso de propagação Poucos microsegundos a centenas de milisegundos Introdução 1-59

60 Atraso na Fila (revisitado) R=banda passante do enlace (bps) L=tamanho do pacote (bits) a=taxa média de chegada de pacotes Atraso médio na fila Intensidade de tráfego = La/R La/R ~ 0: atraso médio na fila é pequeno La/R -> 1: atraso começa a se tornar significativo La/R > 1: mais trabalho chegando do que pode ser feito, atraso médio infinito! Introdução 1-60

61 Atraso, perdas e rotas na Internet Real Como é o atraso e a perda na Internet real? Programa Traceroute: provê medidas de atraso de ida e volta da fonte até cada roteador no caminho para o destino Para cada roteador i: envia 3 probes (pacotes) que alcançarão o roteador i no caminho para o destino para cada probe recebido*, roteador i retorna uma resposta (pacote) para o emissor Emissor marca tempo entre transmissão e chegada da resposta 3 probes 3 probes 3 probes Introdução 1-61

62 Atrasos e rotas da Internet Real traceroute: cin para C:\>tracert Rastreando a rota para [ ] com no máximo 30 saltos: 3 medidas de atraso (probes) 1 <1 ms <1 ms <1 ms ms <1 ms <1 ms ms <1 ms <1 ms mxpe-lanpe-10g-int.bkb.rnp.br [ ] 4 7 ms 4 ms 4 ms pe-al-10g-oi.bkb.rnp.br [ ] 5 11 ms 8 ms 8 ms al-se-10g-oi.bkb.rnp.br [ ] 6 19 ms 13 ms 13 ms se-ba-10g-oi.bkb.rnp.br [ ] 7 30 ms 30 ms 30 ms ba-es-10g-oi.bkb.rnp.br [ ] 8 40 ms 40 ms 40 ms es-rj-10g-oi.bkb.rnp.br [ ] 9 44 ms 43 ms 43 ms as28604.rj.ptt.br [ ] 10 * * * Esgotado o tempo limite do pedido ms 41 ms 41 ms Rastreamento concluído. * Significa sem resposta (probe perdido, resposta perdida, roteador não respondeu, roteador não respondeu no tempo esperado) Introdução 1-62

63 Perda de pacotes fila (buffer) precedendo enlace possui capacidade finita Quando pacote chega e a fila está cheia, ele é descartado (lost/perda) Pacote perdido pode ser retransmitido pelo nó anterior, pela fonte (end system) ou não ser retransmitido Introdução 1-63

64 Agenda 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Rede de acesso e meio físico 1.5 Estrutura Internet e ISPs 1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História Introdução 1-64

65 Camadas/Pilhas de Protocolos Redes são complexas! muitas partes : hosts roteadores Enlaces de diversos tipos aplicações protocolos hardware, software Pergunta: Há alguma esperança de conseguirmos organizar a estrutura da rede? Ou pelo menos a nossa discussão sobre redes? Introdução 1-65

66 Organização de uma viagem aérea bilhete (compra) bagagem (check-in) portão (embarque) decolagem bilhete (reclamação) bagagem (recuperação) portão (desembarque) aterrissagem Roteamento do avião(aérovias) Roteamento do avião Roteamento do avião (aérovias) Uma série de etapas Introdução 1-66

67 Camadas na funcionalidade aérea ticket (purchase) ticket (complain) ticket baggage (check) baggage (claim baggage gates (load) gates (unload) gate runway (takeoff) runway (land) takeoff/landing airplane routing airplane routing airplane routing airplane routing airplane routing Partida do aeroporto Centros de controle intermediários de tráfego aéreo Chagada ao aeroporto Camadas: cada camada implementa um serviço Através de suas próprias ações internas Conta com serviços providos pela camada inferior Introdução 1-67

68 Por que organizar em camadas? Lidando com sistemas compelxos: Estrutura explícita permite a identificação e relacionamento das partes do sistema complexo Modelo de referência em camadas para discussão modularização facilita a manutenção e atualização do sistema Mudança da implementação do serviço de uma camada é transparente para o resto do sistema e.g., mudança no procedimento no portão de embarque não afeta o resto do sistema Divisão em camadas pode ser considerada prejudicial? Introdução 1-68

69 Pilha de protocolos Internet aplicação: dá supoorte às aplicações da rede FTP, SMTP, HTTP transporte: transfefência de dados entre hosts (end systems) TCP, UDP rede: roteamento de datagramas da fonte ao destino IP, protocolos de roteamento enlace: transferência de dados entre elementos de rede vizinhos PPP, Ethernet física: bits no fio aplicação transporte rede enlace física Introdução 1-69

70 mansagem segmento datagrama quadro H t H n H t H l H n H t M M M M fonte aplicação transp. rede enlace física Encapsulamento enlace física H l H n H t M H l H n H t M Switch Ou comutador H l H n H n H t H t H t M M M M destino aplicação transp. rede enlace físico H l H n H n H t H t M M rede enlace física H l H n H n H t H t M M roteador Introdução 1-70

71 Agenda 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede 1.3 Núcleo da rede 1.4 Rede de acesso e meio físico 1.5 Estrutura Internet e ISPs 1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço 1.8 História Introdução 1-71

72 História da Internet : início dos princípios da comutação de pacotes 1961: Kleinrock teoria de 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: 1º nó operacional da ARPAnet 1972: Demonstração pública da ARPAnet Primeiro protocolo host a host - NCP (Network Control Protocol) 1º programa de ARPAnet alcança 15 nós Introdução 1-72

73 História da Internet : Interconexão de redes, redes novas e proprietárias 1970: rede de satélite ALOHAnet satellite no Hawaii 1974: Cerf and Kahn - arquitetura para interconexão de redes 1976: Ethernet na Xerox PARC Fim dos anos 70: arquiteturas proprietárias: DECnet, SNA, XNA Fim dos anos 70: comutação de pacotes de tamanho fixo (precursor ATM) 1979: ARPAnet atinge 200 nodes Princípios de interconexão de redes de Cerf e Kahn: minimalismo, autonomia nenhuma mudança interna necessária para interconectar redes Modelo de serviço de melhor esforço (best effort) Roteadores sem estado (stateless routers) Controle descentralizado define a arquitetura atual da Internet Introdução 1-73

74 História da Internet : novos protocolos, proliferação de redes 1983: desenvolvimento do TCP/IP 1982: definição do protocolo smtp para 1983: definição do DNS para tradução de nomes para endereços IP 1985: definição do protocolo ftp 1988: controle de congestionamento TCP Novas redes: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel hosts conectados em uma confederação de redes Introdução 1-74

75 História da Internet 1990, 2000: comercialização, Web, novas aplicações Início dos anos 90: ARPAnet encerrada 1991: NSF aumenta restrições sobre o uso comercial da NSFnet (encerrado, 1995) Início dos anos 90: Web hypertext [Bush 1945, Nelson anos 60] HTML, HTTP: Berners-Lee 1994: Mosaic, Netscape Fim dos anos 90: commercialização da Web Final dos anos 90 início de 2000: killer apps : mensagem instantânea, compartilhamento de arquivos P2P Segurança de rede em destaque Estimação de 50 milhões de hosts, + de 100 milhões de usuários Enlaces do backbone oferecendo Gbps Introdução 1-75

76 Introdução 1-76

77 Alguma semelhança? Foto de satélite mostra os Estados Unidos durante a noite, com concentração de luzes na Costa Leste (Foto: NASA Earth Observatory/Reuters) Introdução 1-77

78 História da Internet Brasileira 1989 Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT) cria a RNP Objetivo: construção de uma infra-estrutura de rede Internet nacional para a comunidade acadêmica 1991: a rede começa a ser montada 1994: rede atinge todas as regiões do país : a rede é atualizada para suportar aplicações avançadas Desde então o backbone RNP possui pontos de presença em todos os estados 2005: Modernização do backbone com enlaces ópticos operando a vários gigabits por segundo 2010: Nova atualização do backbone com capacidade agregada aumentada em 280% e 24 dos 27 PoPs contam com enlaces de mais de 1 Gbps Introdução 1-78

79 Fonte: Mapa do backbone RNP em 2006 Mapa do Backbone da RNP Introdução 1-79

80 Fonte: Mapa do backbone RNP em 2011 Mapa do Backbone da RNP Introdução 1-80

81 Atrasos e rotas da Internet Real traceroute: cin para C:\>tracert Rastreando a rota para [ ] com no máximo 30 saltos: 3 medidas de atraso (probes) 1 <1 ms <1 ms <1 ms ms <1 ms <1 ms ms <1 ms <1 ms mxpe-lanpe-10g-int.bkb.rnp.br [ ] 4 7 ms 4 ms 4 ms pe-al-10g-oi.bkb.rnp.br [ ] 5 11 ms 8 ms 8 ms al-se-10g-oi.bkb.rnp.br [ ] 6 19 ms 13 ms 13 ms se-ba-10g-oi.bkb.rnp.br [ ] 7 30 ms 30 ms 30 ms ba-es-10g-oi.bkb.rnp.br [ ] 8 40 ms 40 ms 40 ms es-rj-10g-oi.bkb.rnp.br [ ] 9 44 ms 43 ms 43 ms as28604.rj.ptt.br [ ] 10 * * * Esgotado o tempo limite do pedido ms 41 ms 41 ms Rastreamento concluído. * Significa sem resposta (probe perdido, resposta perdida, roteador não respondeu, roteador não respondeu no tempo esperado) Introdução 1-81

82 Estatística de Tráfego no Backbone RNP (Pernambuco) Fonte:http://www.rnp.br ( ) Introdução 1-82

83 Panorama do tráfego Introdução 1-83

84 Introdução: Sumário Foi coberto uma tonelada de material! Visão geral da Internet O que é um protocolo? Borda e núcleo da rede, rede de acesso Comutação de pacotes versus comutação de circuitos Estrutura Internet/ISP desempenho: perda, atraso Modelos de serviço e camadas história Você possui agora: contexto, visão geral e sentimento sobre redes Mais detalhes posteriormente no curso! Introdução 1-84

85 TESTE SEUS CONHECIMENTOS Introdução 1-85

86 Exercício 01 Considere a rede de comutação de pacotes como apresentada na figura. Dois hosts A e B estão conectados ao roteador R1, que por sua vez está conectado ao host C. A taxa de transmissão de cada enlace e os atrasos de propagação são apresentados na figura. Os roteadores são do tipo store-and-forward e possuem memória de 10 Kbytes para armazenamento de pacotes na fila. Assuma que o tempo de processamento por pacote em cada roteador seja de 1 μs e que este tempo seja somente gasto quando o pacote alcançar o início da fila. Host A 10 Mbps 10 ms R1 1 ms Host C 10 ms 100 Mbps 10 Mbps Host B Introdução 1-86

87 Exercício 01 Assuma que inicialmente a rede esteja completamente vazia. O host A envia consecutivamente dois pacotes de 1 KByte para o host C. Pergunta-se : a) Qual o atraso total de propagação, em milisegundos, sofrido pelo primeiro pacote? b) Qual o atraso total de transmissão, em milisegundos, sofrido pelo primeiro pacote? c) Qual o atraso total de fila, em milisegundos, sofrido pelo primeiro pacote? d) Qual o atraso total de processamento, em milisegundos, sofrido pelo primeiro pacote? Host A 10 Mbps 10 ms R1 1 ms Host C 10 ms 100 Mbps Host B 10 Mbps Introdução 1-87

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