Redes de Computadores

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1 Conteúdo Programático 1. Introdução e Conceitos Básicos Redes de Computadores Faculdade de Computação PPGCC- UFPA Antônio Abelém abelem@ufpa.br 2. Camada de Aplicação 3. Camada de Transporte 4. Camada de Rede e Roteamento 5. Camada de Enlace e Redes Locais 1: Introdução 1 1: Introdução 2 Bibliografia Avaliação KUROSE & ROSSI. Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet. 3ª edição Provas Título da tradução: Redes de Computadores e a Internet. Ed. Pearson Brasil. 3ª edição TANENBAUM, A. Computer Network. 4ª edição. Prentice Hall, Trabalhos práticos e teóricos Título da tradução: Redes de Computadores. 4ª edição. PHB, COMER, D. Internetworking with TCP/IP. 4ª edição. Prentice Hall, Interligação em Rede com TCP/IP. Vol.1. Ed. Campus RFCs e artigos diversos. 1: Introdução 3 1: Introdução 4

2 Suporte à disciplina Parte I: Introdução Lista de discussão Página Web Menu disciplinas Meta do Capítulo: dar o contexto, visão geral e intuitiva de s profundidade e detalhes vêm mais adiante abordagem: descritiva uso da Internet como exemplo Visão Vsão geral: o que é a Internet o que é um protocolo a borda da o núcleo da de acesso, meio físico desempenho: perdas, retardo camadas de protocolo, modelos de serviço backbones, PTTs, provedores Um pouco de história 1: Introdução 5 1: Introdução 6 O que é a Internet: os componentes O que é a Internet: os componentes estação roteador milhões de computadores interligados: hospedeiros, servidor móvel Provedor sistemas terminais Provedor PCs, estações, servidores local regional PDAs, telefones, torradeiras executando aplicações de s de comunicação fibra, cobre, rádio, satélite roteadores: encaminham pacotes (blocos) de dados pela Rede corporativa 1: Introdução 7 protocolos: os controlam envio, recepção de mensagens p.ex., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP Internet: de s aproximadamente hierárquica Internet pública contra intranet privada Padrões Internet RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force estação roteador servidor móvel Provedor Provedor local regional Rede corporativa 1: Introdução 8

3 O que é a Internet: os serviços O que é um protocolo? Infra-estrutura de comunicação: possibilita aplicações distribuídas: WWW, correio, jogos, comércio eletrônico, bases de dados, d eleições, outras? serviços de comunicação oferecidos: sem conexão orientado a conexão protocolos os humanos: que horas são? queria perguntar... apresentações mensagens específicas enviadas ações específicas tomadas ao receber mensagens, ou em outros eventos protocolos os de : máquinas em vez de gente toda comunicação na Internet governada por protocolos protocolos definem formato, ordem de mensagens enviadas e recebidas entre entidades de, e ações tomadas ao enviar ou receber uma mensagem 1: Introdução 9 1: Introdução 10 O que é um protocolo? Detalhes sobre a estrutura da Um protocolo o humano e um protocolo o de : Oi! Oi! Que horas são? 2:00 Tempo P: Outro protocolo humano? TCP pedido de conexão. TCP resposta. Get htm <arquivo> 1: Introdução 11 Borda da : aplicações e hospedeiros núcleo da : roteadores de s s de acesso, meios físicos: s de comunicação 1: Introdução 12

4 A borda da : Borda da : serviço orientado a conexão sistemas terminais: executam aplicações p.ex. WWW, correio na borda da modelo cliente/servidor cliente solicita, recebe serviço do servidor p.ex., cliente WWW (browser)/ servidor; cliente/servidor de correio modelo entre pares (p2p): interação simétrica Ex: Gnutella, KaZaA, etc 1: Introdução 13 Meta: transferência de dados entre sistemas handshaking : h preparação para iniciar transferência protocolo humano: Oi!, Oi! criar estado em 2 sistemas em comunicação TCP - Transmission Control Protocol serviço orientado a conexão da Internet serviço TCP [RFC 793] transf. dados: fluxo de bytes ordenado, d confiável perdas: reconhecimentos e retransmissões controle de fluxo: remetente não vai afogar o receptor controle de congestionamento: remetentes reduzem a taxa de envio quando congestionada 1: Introdução 14 Borda da : serviço sem conexão Núcleo da Rede Meta: transferência de dados entre sistemas mesma que antes! UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: serviço sem conexão da Internet transf. de dados não confiável sem controle de fluxo sem controle de congestionamento Aplics. usando TCP: HTTP (WWW), FTP (transf. de arquivo), Telnet (acesso remoto), SMTP (correio) Aplics. usando UDP: mídia com streaming, teleconferências, telefonia pela Internet 1: Introdução 15 malha conexa de roteadores a questão fundamental: como se transfere dados através da? comutação de circuitos: circuito dedicado por chamada: de telefonia comutação de pacotes: dados enviados pela em quantias discretas 1: Introdução 16

5 Núcleo da Rede: comutação de circuitos Núcleo da Rede: comutação de circuitos Recursos fim a fim reservados para a chamada banda de, capacidade d de comutação recursos dedicados: não há compartilhamento t desempenho como circuitos (garantido) requer fase inicial ( setup ) Rede Telefônica PBX Central PBX 1: Introdução 17 1: Introdução 18 Núcleo da Rede: comutação de circuitos comutação de circuitos: Exemplo Recursos de (p.ex., banda) retalhado em pedaços pedaços alocados a chamadas recurso ocioso se não usado pela chamada (não há compartilhamento) divisão de banda em pedaços divisão por frequência divisão por tempo 1: Introdução 19 Quanto tempo leva para transferir um arquivo de bits de uma estação A para uma estação B através de uma baseada em comutação de circuito com as seguintes características: Todos os s são de Mbps Cada usa TDM com 24 slots O tempo de estabelecimento do circuito fim a fim é de 500 mseg 1: Introdução 20

6 Núcleo da Rede: comutação de pacotes Núcleo da : comutação de pacotes Cada a fluxo de dados fim a fim dividido em pacotes pacotes de usuários A, B compartilham recursos cada pacote usa banda inteira do recursos usados a demanda Retalhamento de banda Alocação dedicada Reserva de recursos Contenção nção por recursos: demanda agregada pode exceder os recursos disponíveis congestionamento: fila de pacotes, espera para uso do armazena, reencaminha: pacotes movem um a cada vez transmite pelo aguarda vez p/ o próx. 1: Introdução 21 Ethernet A 10 Mbps multiplexação estatística C 2 Mbps B fila de pacotes 34 Mbps aguardando de saída D E Comutação de pacotes X comutação de circuitos: analogia humana de restaurante outras analogias humanas? 1: Introdução 22 Comutação de pacotes X comutação de circuitos Comutação de pacotes permitir admitir mais usuários! Comutação de pacotes X comutação de circuitos Comutação de pacotes será sempre o melhor? de 1 Mbit cada usuário: 100Kbps quando ativo ativo 10% do tempo N usuários comutação de circuitos: 10 usuários comutação de pacotes: com 35 usuários, probabilidade > 10 ativos menor que 0, de 1 Mbps 1: Introdução 23 Fantástico para dados em rajadas compartilha recursos não requer inicialização (setup) Congestionamento t excessivo: retardo e perdas protocolos necessários para transferência confiável de dados, controle de congestionamento P: Como prover comportamento de circuitos? Garantias de banda necessárias para aplicações de áudio/vídeo é um problema ainda sem solução. 1: Introdução 24

7 Redes de pacotes: roteamento Meta: mover pacotes entre roteadores da origem ao destino estudaremos diversos algoritmos de seleção de rota (cap. 4) de datagramas: endereço de destino determina próximo passo rotas podem mudar durante uma sessão analogia: dirigindo, perguntando o caminho 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 1: Introdução 25 Taxomonia de Redes Redes baseadas em comutação de circuito FDM Telecommunication networks TDM Redes baseadas em comutação de pacotes Redes com Circuitos Virtuais Redes Datagramas 1: Introdução 26 Redes de acesso e meios físicos Acesso residencial: acesso ponto a ponto P: Como ligar sistemas st terminais ao 1o roteador? s de accesso residencial s de accesso institucional (escola, empresa) s de accesso móvel Características principais: banda (bits per second) da de acesso? compartilhada ou dedicada? 1: Introdução 27 Discado Dsca via modem m até 56Kbps, acesso direto ao roteador (conceitualmente) RDSI: digital de serviços integrados (DVI - Telemar): 128Kbps, conexão digital ao roteador ADSL: asymmetric digital subscriber line até 1 Mbps casa ao roteador (4k - 50kHz) até 8 Mbps roteador a casa (50k - 1 MHz) disponibilidade de ADSL : Telefônica, Telemar (RJ,MG,BA, PA) 1: Introdução 28

8 Acesso residencial: cable modems Acesso residencial: cable modems HFC: hybrid fiber coax assimétrico: até 30Mbps p/ a casa, 2 Mbps para a de cabo e fibra liga a casa ao roteador do provedor acesso compartilhado ao roteador pelas casas problemas: dimensionamento, congestionamento disponibilidade: via cias. de TV a cabo, p.ex., NET, TVA 1: Introdução 29 1: Introdução 30 Acesso Residencial Componentes de uma Rede Residencial Típica: to/from cable headend cable modem router/ firewall Ethernet wireless access point wireless laptops 1: Introdução 31 Acesso institucional: s locais local (LAN) da empresa/univ. liga sistema terminal ao 1o roteador Ethernet: cabo compartilhado ou dedicado usado para acesso ao roteador 10 Mbps, 100Mbps, Gigabit Ethernet disponibilidade: instituições, s locais domésticas em breve s locais: cap. 5 1: Introdução 32

9 Redes de acesso sem fio de acesso sem fio fo liga ao roteador s locais sem fio: roteador espectro de rádio substitui cabo estação p.ex., Wavelan 2, 11 e 54 base Mbps Wavelan tb usada para ligações ponto a ponto acesso sem fio não local Wimax/ sistemas Rede celular: acesso sem fio móveis ao roteador do provedor via de telefonia celular 3G ~ 384 kbps 1: Introdução 33 Meios físicos físico: bit de dados transmitido propaga através do meio guiado: sinais propagam em meios sólidos: cobre, fibra meios não guiados: sinais propagam livremente, p.ex., rádio Par trançado (TP) dois fios isolados de cobre Categoria 3: fio telefônico tradicional, ethernet de 10 Mbps Categoria 5: ethernet de 100Mbps Categoria 6: 1 Gbps 1: Introdução 34 Meios físicos: cabo coaxial, fibra Meios físicos: rádio Cabo coaxial: fio (portador do sinal) dentro de um fio (blindagem) banda básica: canal único no cabo banda larga: múltiplos canais no cabo bidirecional uso era comum em Ethernet de 10Mbps Cabo de fibra ótica: fibra de vidro iluminada por pulsos de luz operação de alta velocidade: Ethernet de 100Mbps transmissão de alta velocidade d ponto a ponto (p.ex., 10 Gbps) baixa taxa de erros 2 tipos de fibra: monomodo, multimodo 1: Introdução 35 sinal sna enviado pelo espectro eletromagnético sem fio físico bidirecional efeitos sobre propagação do ambiente: reflexão obstrução por objetos interferência Tipos de de rádio: microondas p.ex. canais até 155 Mbps local (p.ex., wavelan) 2Mbps, 11Mbps, 54 Mbps longa distância (p.ex., celular) p.ex. CDPD, 100 s Kbps Wimax: ~100 Mbps satélite canais de até 50Mbps (ou múltiplos canais menores) retardo ponto a ponto de 270 ms geosíncrono X LEOS (Low Earth Orbit Satellite) 1: Introdução 36

10 Retardo em s de pacotes Pacotes experimentam retardo em caminhos fim a fim quatro causas de retardo a cada A B transmissão processamento no nó: verifica erros de bits determina saída filas tempo gasto aguardando envio no de saída depende do nível de congestionamento propagação Processamento no nó enfileiramento 1: Introdução 37 Retardo em s de pacotes Retardo de transmissão: ssão R=banda do (bps) L=tamanho do pacote (bits) tempo para transmitir pacote no = L/R A B transmissão Processamento no nó propagação enfileiramento Retardo de propagação: p d = comprimento do s = velocidade de propagação (~2x10 8 m/sec) retardo propagação p = d/s Note: s e R são quantidades muito diferentes! 1: Introdução 38 Camadas de Protocolos Organização de viagens aéreas Redes são complexas! Muitos componentes: hospedeiros roteadores s de diversos meios aplicações protocolos hardware, software Pergunta: Existe alguma esperança de organizar a estrutura da? Ou, pelo menos, organizar nossa discussão de s? passagem (compra) passagem (reclama) bagagem (entrega) bagagem (recupera) portão (embarque) portão (desembarque) decolagem aterrissagem uma série de passos 1: Introdução 39 1: Introdução 40

11 Organização de viagens aéreas: outra visão Viagens aéreas em camadas: serviços passagem (compra) bagagem (entrega) portão (embarque) decolagem passagem (reclama) bagagem g (recupera) portão (desembarque) aterrissagem entrega balcão a balcão de passageiros/bagagem entrega de bagagem do check-in à esteira entrega pessoas: p. embarque ao p. desembarque entrega de avião: aeroporto a aeroporto da origem ao destino Camadas: cada camada implementa um serviço através das ações internas da própria camada uso dos serviços providos pela camada inferior i 1: Introdução 41 1: Introdução 42 Distributed implementation of layer functionality de e Aerop porto emb barqu passagem (compra) passagem (reclama) bagagem g (entrega) portão (embarque) decolagem bagagem (recupera) portão (desembarque) aterrissagem locais intermediários de tráfego aéreo o de rque oporto embar Aero dese Por quê usar camadas? Ao lidar com sistemas complexos: estrutura explícita permite identificação, relações entre componentes de sistema complexo modelo de referência para discussão modularização facilita manutenção, atualização do sistema mudanças de implementação do serviço da camada é transparente ao resto do sistema p.ex., mudança no procedimento do portão não afeta o resto do sistema 1: Introdução 43 1: Introdução 44

12 Níveis, Protocolos e Interfaces Sistema A Nível n Protocolo de Nível n Sistema B Nível n Interface n-1/n Interface n-1/n Protocolo de Nível n-1 Nível n-1 Nível n-1 Interface 3/4 Interface 2/3 Interface 1/ Protocolo de Nível 4 Nível 4 Nível 4 Protocolo de Nível 3 Nível 3 Nível 3 Protocolo de Nível 2 Nível 2 Nível 2 Protocolo de Nível 1 Nível 1 Nível 1 Interface 3/4 Interface 2/3 Interface 1/2 1: Introdução 45 Arquitetura de Rede Conjunto de convenções para interconexão de equipamentos Número, nome, conjunto nt de funções e serviços s e o protocolo de cada nível definem uma arquitetura tur de. Há algum tempo os grandes fabricantes desenvolveram soluções proprietárias para a interconexão de seus equipamentos IBM - System Network Architecture (SNA) DEC - Digital Network Architecture (DNA) 1: Introdução 46 Padronização - Vantagens Preservação de investimentos Segurança de continuidade Segurança de integração com tecnologias emergentes Maior número de fabricantes maior competitividade menor preço maior qualidade Exemplos de Órgãos de Padronização Oficiais ISO ITU (International Telecommunication Union) Não oficiais i i IETF Consórcios ATM Forum Frame relay Forum WAP Forum 1: Introdução 47 1: Introdução 48

13 Arquiteturas de Comunicação Modelo de Referência OSI Modelo de referência para interconexão de sistemas abertos Arquitetura IEEE 802 Conjunto de Padrões para Redes Locais Arquitetura TCP/IP (Internet) Arquitetura q baseada no conceito de interligação de s Padrão de fato atual 1: Introdução 49 Modelo de Referência OSI O modelo de referência OSI concentra-se apenas na questão de interconexão de sistemas transferência a de informação (transmissão) ssão) interoperabilidade (ex. representação de dados, integridade, segurança, etc.) O modelo de referência OSI não especifica implementação, tecnologia, interconexão de sistemas particulares 1: Introdução 50 Camadas do Modelo OSI Arquitetura TCP/IP (Internet) Camada 7 Camada 6 Camada 5 Camada 4 Camada 3 Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Camada 2 Enlace Camada 1 Físico Desenvolvido pelo Departamento de Defesa Americano (DARPA) Padrão de fato Evolução da ARPANET Começo do projeto no início dos anos 70 Arquitetura baseada no conceito de inter-s 1: Introdução 51 1: Introdução 52

14 Camadas da Arquitetura TCP/IP Nós na Arquitetura TCP/IP Interface de Rede Intra-Rede ou Hardware Aplicação Transporte Inter- Rede Host A Aplicação Transporte Inter- Interface de Datagrama idêntico Quadro idêntico Rede Física 1 intra- Mensagem idêntica Pacote idêntico Roteador Interface de Inter- Interface de Datagrama idêntico Quadro idêntico Rede Física 2 intra- Host B Aplicação Transporte Inter- Interface de 1: Introdução 53 1: Introdução 54 Pilha de protocolos da Internet Camadas: comunicação lógica : suporta aplicações de ftp, smtp, http : rt transferência r nc a de dados entre sistemas terminais tcp, udp Inter-: roteamento de datagramas da origem ao destino ip, protocolos de roteamento Intra- (): transferência de dados entre elementos de vizinhos ppp, ethernet : bits nos fios inter- intra- 1: Introdução 55 Cada camada: distribuída entidades implementam funções da camada em cada nó entidades d realizam ações, trocam mensagens com pares 1: Introdução 56

15 Camadas: as comunicação cação lógica dados P.ex.: obtém dados da apl. inclui endereços, info para confiabilidade para formar datagrama envia datagrama ao par espera receber ack (reconhecimento) do par analogia: correios dados ack application transport network link physical dados Camadas: comunicação dados dadosd 1: Introdução 57 1: Introdução 58 Camadas de protocolos e dados Estrutura da Internet: de s Cada camada recebe dados da camada superior acrescenta cabeçalho com informação para criar nova unidade de dados passa nova unidade de dados para camada inferior Ht HnHt Hl HnHt M M M M origem rg destino Ht HnHt Hl HnHt M M M M mensagem segmento datagrama quadro 1: Introdução 59 aprox. hierárquica provedores nacionais/internacionais nternac s de backbone (PNBs) p.ex.. Embratel, RNP, IBM interconexão (peering) privada bilateral, or em Pontos de Troca de Tráfego (PTTs) provedores regionais clientes dos PNBs provedores locais, empresa clientes dos provedores regionais PTT Prov. regional Prov. local PNB B PNB A Prov. local Prov. regional PTT 1: Introdução 60

16 Rede Metropolitana - MetroBel Provedor Nacional de Backbone - RNP 1: Introdução 61 1: Introdução 62 História da Internet : princípios de comutação de pacotes História da Internet : Inter-s, s novas e proprietárias 1961: Kleinrock - teoria das filas demonstra eficácia de comutação de pacotes 1964: Baran - comutação de pacotes em s militares 1967: ARPAnet concebida pela Advanced Reearch Projects Agency 1969: primeiro i nó ARPAnet operacional 1972: ARPAnet demonstrada publicamente NCP (Network Control Protocol) primeiro ro protocolo fim a fim primeiro programa de correio eletrônico ARPAnet tem 15 nós 1970: ALOHAnet via satélite em Havaí 1973: tese de doutorado de Metcalfe propõe Ethernet 1974: Cerf and Kahn - arquitetura para interligar s fim dos 70: arquiteturas proprietárias: DECnet, SNA, XNA fim dos 70: comutação de pacotes de tamanho fixo (precursor do ATM) 1979: ARPAnet tem 200 nós Cerf and Kahn: princípios de inter-s: minimalismo, autonomia - nenhuma mudança interna necessária para interligar s modelo de serviço de melhor esforço roteadores sem estado controle descentralizado definem a arquitectura da Internet de hoje 1: Introdução 63 1: Introdução 64

17 História da Internet : novos protocolos, proliferação de s História da Internet 1990 s: commercialização, WWW 1983: implantação de TCP/IP 1982: definição do protocolo smtp (correio) 1983: definição do DNS para tradução de nome para endereço IP 1985: definição do protocolo ftp 1988: TCP: controle de congestionamento novas s nacionais: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel 100,000 hospedeiros ligados à confederação de s Brasil - início i da BITnet em 1988 (LNCC e FAPESP) Brasil - início da UUCP em 1989 (Alternex) 1: Introdução 65 Início dos 1990: fim da ARPAnet 1991: NSF remove restrições em uso comercial da NSFnet (aposentada, 1995) início dos 1990: WWW hypertexto [Bush 1945, Nelson 1960 s] HTML, http: Berners-Lee 1994: Mosaic, depois Netscape fim dos 1990: comercialização da WWW Fim dos 1990: est. 50 milhões de computadores na Internet est. 100 milhões+ de usuários s backbone funcionando em 1 Gbps 1: Introdução 66 A Internet no Brasil Pequena cronologia criação das TCP/IP ReMAVs, Rede-Rio 2, experimental (SP, RJ, s de 155 Mbps RS) até bps novo backbone Rede-Rio, Rio da Rede-UFF 622 ANSP, RNP até 64 Mbps kbps backbone ATM 1994/5 - RNPv2, com da RNP2 s de 2 Mbps conexão 1994/5 - abertura internacional em 155 comercial, Embratel, Mbps Comitê Gestor 1: Introdução 67