Redes de Dados. Aula 1. Introdução. Eytan Mediano

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1 Redes de Dados Aula 1 Introdução Eytan Mediano 1

2 6.263: Redes de Dados Aspectos fundamentais do projeto de redes e análise: Arquitetura Camadas Projeto da Topologia Protocolos Pt - a Pt (Pt= Ponto) Acesso Múltiplo Fim a Fim Algoritmos Recuperação de erros Roteamento Controle de fluxo Instrumentos de análise Modelamento Probabilístico Teoria das Filas 2

3 Informações Sobre o Curso Professor Responsável: Professor Eytan Modiano Requisitos & Avaliação Cerca de uma série de exercícios por semana (10% da avaliação) Projeto (5% da avaliação) Exame intermediário (35 %) Exame final durante as semanas finais (50%) Política de Pré-Requisito: 6.041, ou curso equivalente em probabilidades Livro Texto: Bertsekas & Gallager Data Networks (2nd Edition) 3

4 Programa do Curso (Tentativa) Aula Tópico Introdução, OSI 7-Arquitetura em camadas Camada de enlace de dados, quadros, detecção de erros Algoritmos de retransmissão Algoritmos de retransmissão Modelos de Filas Introdução & Teorema de Little Filas M/M/1, M/M/m, etc. Redes de Filas Filas M/G/1, M/G/1 com períodos vacantes Filas M/G/1 e reservas, filas com prioridade Estabilidade de sistemas de filas Distribuição da ocupação da fila M/G/1 Quiz Acesso Múltiplo & Aloha 4

5 Programa do Curso (Tentativa) Aula Tópico Estabilidade no Aloha, Algoritmos em Árvore CSMA, CSMA/CD e Ethernet LAN s de alta velocidade, Token Rings, reserva de banda em satélites Introdução à arquitetura de comutadores Escalonamento em comutadores de alta velocidade Difusão de Rotas & Árvores de Interconexão Abertas Roteamento pelo caminho mais curto Algoritmos de roteamento distribuídos, otimização de rotas Controle de Fluxo - Esquemas de janela/crédito Controle de Fluxo - Esquemas baseados na taxa de transmissão Camada de Transporte e o TCP/IP Redes ATM Tópicos Especiais: redes óticas, redes sem fio 5

6 Aplicações das Redes Compartilhamento de recursos Computação Computador de grande porte (no passado) Atualmente, os computadores são mais baratos que as comunicações (exceto LANs) Impressoras, periféricos Informação Acesso a DB (Banco de Dados) e atualizações Ex: finanças, reservas de passagens aéreas, etc. Serviços , FTP, Telnet, acesso a web Vídeo conferência Acesso a DB Aplicações Cliente/Servidor 6

7 Áreas de Cobertura Geográfica das Redes Redes de Longa Distância (Wide Area Networks - WANs) Cobrem grandes áreas (paises, continentes, mundo) Usam linhas telefônicas alugadas (caras!) 1980 s: 10Kbps, 2000 s: 2,5Gbps Taxa de acesso do usuário: 56kbps 155Mbps tipicamente Enlaces de comunicações compartilhados: comutadores e roteadores. Ex.: IBM SNA, rede X.25, Internet Redes Locais (LANs) Cobrem escritórios ou edifícios. Único enlace (canal compartilhado) (barato!) Taxa do usuário: 10Mbps 1Gbps Ex.: Ethernet, Token Rings, Apple-talk. Redes Metropolitanas (Metro Area Networks - MANs) Redes de Armazenamento 7

8 Serviços de Rede Síncrono A sessão é como um fluxo contínuo de tráfego (ex.: a voz). Geralmente requer atrasos fixos e limitados. Assíncrono A sessão é como uma seqüência de mensagens. Tipicamente em rajadas. Ex.: Sessões Interativas, transferência de arquivos, . Serviços orientados a conexão Sessões contínuas e de longa duração. Entrega ordenada e no tempo requerido dos pacotes. Ex.: Telnet, FTP. Serviços não orientados a conexão Transações que ocorrem de uma vez (ex.: ) QoS 8

9 Comutação a circuito Recursos dedicados Técnicas de Comutação Comutação a pacote Recursos compartilhados Circuitos virtuais Datagramas 9

10 Comutação a Circuito A cada sessão é alocada uma parte fixa da capacidade em cada enlace ao longo de seu caminho. Recursos dedicados Caminho fixo Se a capacidade total estiver sendo usada, novas chamadas são bloqueadas; Ex.: rede telefônica. Vantagens da comutação a circuito Atrasos fixos Garantia da entrega Desvantagens Circuitos não são usados quando a sessão é não ativa. Ineficiente para trafego em rajada. A comutação a circuito é feita usando fluxo de taxa constante (ex.: 64kbps). Dificuldade em suportar taxas variáveis. 10

11 Problemas Com a Comutação a Circuito Muitas sessões são em rajada, ou seja: (tempo de transmissão da mensagem)/(tempo entre chegadas de mensagens) << 1, Que equivale a: (taxa de chegada das mensagens)*(tempo de transmissão das mensagens) << 1. A taxa alocada a sessão deve ser grande o suficiente para satisfazer os requisitos de atraso. A capacidade locada é não utilizada quando a sessão não tem nada para enviar T; Se a comunicação é cara então a comutação a circuito é não econômica para satisfazer os requisitos de atraso do tráfego em rajadas; Além disso a comutação a circuito requer um estabelecimento de chamada durante o qual os recursos não são utilizados. Se as mensagens são muito mais curtas do tempo para estabelecer a chamada então a comutação a circuito não é econômica (ou mesmo prática). Existe mais de um problema nas redes de alta velocidade. 11

12 Exemplo da Comutação a Circuito L = comprimento das mensagens λ = taxa de chegada das mensagens R = Taxa do canal em bits por segundo X = Atraso para transmitir a mensagem = L/R R deve ser grande o suficiente para manter X pequeno Tráfego em rajada => λx << 1 => baixa utilização Exemplo L = 1000 bytes (8000 bits) λ = 1 mensagem por segundo X < 0,1 segundos (requisito para o atraso) => R > 8000/0,1 = bps Utilização = 8.000/ = 10% Com a comutação por pacote o canal pode ser compartilhado entre várias sessões obtendo assim uma utilização elevada 12

13 Redes Comutadas a Pacote 13

14 Comutação a Pacote Comutação a pacote por Datagrama A rota é escolhida na base de cada pacote individualmente. Diferentes pacotes podem seguir rotas distintas. Pacotes podem chegar fora de ordem a seu destino. Ex.: IP (o protocolo Internet). Comutação a pacote por Circuito Virtual Todos os pacotes associados com uma sessão seguem a mesma rota. A rota é escolhida no início da sessão. Pacotes são identificados com o VC# que designa a rota. O número do VC deve ser único em um dado enlace mas pode mudar de enlace para enlace. Imagine que tenhamos que estabelecer conexões entre 1000 nós distribuídos de forma irregular. Números únicos atribuídos aos VC implicariam em 1 milhão de números VC que deveriam ser representados e armazenados em cada. Ex.: ATM (Asynchronous Transfer Mode). 14

15 Comutação a Pacote por Circuito Virtual Para datagramas, a informação de endereçamento deve distinguir unicamente cada nó na rede e a sessão. Precisa de endereços únicos tanto para a fonte como para o destinatário. Para circuitos virtuais, somente os VC em um dado enlace precisam ser distinguidos através do endereço. É necessário um endereço global para estabelecer circuitos virtuais. Uma vez estabelecido, números de circuitos virtuais locais podem ser usados para representar os VC em um dado enlace: o número associado ao VC muda de enlace para enlace. Méritos dos circuitos virtuais Economiza cálculos de rotas. Precisa ser feito somente uma vez no início da sessão. Economiza o tamanho do cabeçalho. Facilita o fornecimento de QoS. Mais complexo. Menos flexível. Tabela do Nó 5 (3,5) VC13 (5,8) VC3 (3,5) VC7 (5,8) VC4 (6,5) VC3 (5,8) VC7 15

16 Comutação a Circuito vs Comutação a Pacote Vantagens da comutação a pacote Efetiva para dados em rajadas. Facilidade em prover largura de faixa sob demanda com taxas variáveis. Desvantagens da comutação a pacote Atrasos variáveis. Dificuldade em garantir QoS (serviço do melhor esforço). Pacotes podem chegar fora de ordem. Técnica de comutação Serviço de Rede Comutação a circuito Síncrono(ex.: voz) Comutação a pacote Assíncrono (ex.: dados) Circuitos Virtuais Orientados a conexão Datagrama Não orientado a conexão 16

17 Comutação a Circuito vs Comutação a Pacote Pode a comutação a circuito ser utilizada para suportar tráfego de dados? Pode a comutação a pacote ser utilizada para tráfego orientada a conexão? (ex.: voz)? Necessidade de mecanismos de QoS nas redes a pacote: Largura de faixa garantida; Atrasos garantidos; Variações de atraso garantidas; Taxa de perda de pacotes; Etc... 17

18 7 Camadas do Modelo de Referência OSI 18

19 Camadas Camada de Apresentação Fornece conversão de código de caracteres, cifragem dos dados, compressão dos dados, etc. Camada de Sessão Obtém serviços de mensagens fim a fim a partir da camada de transporte; Fornece assistência a diretório, controle de aceso, funções de bilhetagem, etc. A padronização não tem caminhado bem nesta camada, pois as chamadas às aplicações estão todas no sistema operacional e não precisam de interfaces padrões. Foco: Camada de Transporte e inferiores. 19

20 Camada de Transporte A camada de rede prove um duto fim a fim virtual de pacotes para a camada de transporte. A camada de transporte prove serviço de mensagens fim a fim virtual para as camadas mais altas. As funções da camada de transporte são: 1. Segmentar mensagens em pacotes (de comprimento conveniente para a camada de rede multiplexar sessões com os mesmos nós fonte /destino); 2. Colocar em seqüência os pacotes recebidos no destino; 3. recuperar a partir de erros ou falhas; 4. Prover controle de fluxo fim a fim. 20

21 Camada de Rede O modulo da camada de rede aceita pacotes da camada de transporte e transita pacotes provenientes da camada DLC ( Data Link Control). Roteia cada pacote no apropriado DLC de saída ou (no destinatário) para a camada de transporte. Tipicamente, a camada de rede adiciona seu próprio cabeçalho aos pacotes provenientes da camada de transporte. Este cabeçalho contém informações necessárias para o roteamento (ex.: endereço de destino). Cada nó contém um modulo de camada de rede mais um modulo de camada de enlace por enlace. Camada de Transporte Camada de Rede Camada DLC Link 1 Camada DLC Link 2 Camada DLC Link 3 21

22 Camada de Enlace Responsável pela transmissão livre de erros dos pacotes ao longo de um único enlace. Delimitação de quadros Determina o início e o fim dos pacotes. Detecção de erros Determina quais pacotes contém erros de transmissão. Correção de erros Esquemas de retransmissão (Automatic Repeat Request - ARQ) 22

23 Camada Física Responsável pela transmissão de bits no enlace Atraso de propagação Tempo necessário para o sinal viajar da fonte para o destino O sinal viaja aproximadamente à velocidade da luz, C = m/s. Ex.: Satéite LEO: d = 1000km 3,3m atraso de propagação. Satélite GEO: d = km 1/8 segundo atraso de propagação. Cabo Ethernet: d = 1km 3µs atraso de propagação. Erros de transmissão Perda de potência do sinal devido à atenuação; 0 Degradação na transmissão devida ao ruído; Modelo simples de canal: canal binário simétrico: P = probabilidade de erro por bit; 1 Independente de bit para bit. Na realidade os erros no canal ocorrem em rajadas. P 1-P 1-P P

24 Subcamada Internet Uma subcamada entre as camadas de transporte e de rede é requerida quando várias redes incompatíveis são interconectadas. Esta subcamada é usada nos gateways entre as diferentes redes. É semelhante a camada de transporte para as redes que estão sendo conectadas. É responsável pelo controle de fluxo e roteamento entre as redes, e portanto se parece com a camada de rede para a camada de transporte fim a fim. Na internet esta função é feita usando o Internet Protocol (IP). Freqüentemente o IP é também usado como protocolo de camada de rede, e portanto somente um protocolo é necessário. 24

25 Internet com TCP/IP 25

26 Encapsulamento 26

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