Redes Telecomunicação Introdução

Transcrição

1 Redes Telecomunicação Introdução Telemedicina e e-saúde 2009/10 Pedro Brandão Referências Estes slides são baseados nos slides de TeleMedicina e e-saúde 08/09 do Prof. Rui Prior Por sua vez ele baseou-se nos slides fornecidos com o livro Computer Networking: A Top Down Approach 4th edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, April Introdução às Redes de Telecomunicação 1

2 DIGITAL, ANALÓGICO Analógico Digital Amostragem Imagens da Wikipedia Quantificação das amostras 4 Introdução às Redes de Telecomunicação 2

3 Algumas palavras sobre compressão audio Amostragem do sinal audio a uma taxa fixa o telefone: 8,000 amostras/seg o CD: 44,100 amostras/seg Cada amostra quantificada, arredondada: o Ex.:, 2 8 =256 valores possíveis Cada nível/valor representado por bits o 8 bits para 256 valores exemplo: 8,000 amostras/seg, 256 valores 64,000 bps Receptor reconverte para analógico: o Alguma perda de qualidade Taxas exemplo CD: Mbps MP3: 96, 128, 160 kbps Internet telephony: 5.3 kbps ou mais 5 Algumas palavras sobre compressão vídeo vídeo: sequência de imagens a uma taxa constante o e.g. 24 imagens/seg Imagem digital: array de pixéis o Cada pixel representado por bits redundância o Espacial (na imagem) o temporal (de uma imagem para a seguinte) Exemplos: MPEG 1 (CD-ROM) 1.5 Mbps MPEG2 (DVD) 3-6 Mbps MPEG4 (often used in Internet, < 1 Mbps) Investigação: Por camadas ( escalável ) vídeo o Adaptar as camadas à largura de banda disponível 6 Introdução às Redes de Telecomunicação 3

4 INTRO Introdução Objectivos: ganhar sensibilidade e conhecer a terminologia aprofundamento e detalhes mais tarde abordagem: o uso da Internet como exemplo Tópicos: o que é a Internet? o que é um protocolo? extremidade da rede: terminais, rede de acesso, meio físico núcleo da rede: comutação de pacotes/circuitos, estrutura da Internet desempenho: perdas, atrasos, débito camadas protocolares, modelos de serviço 8 Introdução às Redes de Telecomunicação 4

5 Sumário 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede (edge) terminais, redes de acesso, ligações 1.3 Núcleo da rede (core) comutação de circuitos, comutação de pacotes estrutura da rede 1.4 Atrasos, perdas e débito em redes de comutação de pacotes 1.5 Camadas protocolares, modelos de serviço 9 O que é a Internet: debaixo do capô PC servidor portátil wireless telemóvel pontos de acesso ligações cabladas milhões de dispositivos ligados: terminais (hosts) o a correr aplicações em rede ligações (links) fibra, cobre, rádio, satélite taxa de transmissão (capacidade) Rede móvel ISP global Rede doméstica ISP regional Rede institucional router routers: reenvio de pacotes ( pedaços de dados) 10 Introdução às Redes de Telecomunicação 5

6 O que é a Internet: debaixo do capô Algum equipamento de rede Concentrador (hub) (em desuso) Comutadores LAN (switches) Ponto de acesso Router Router 11 O que é a Internet: debaixo do capô Algum equipamento de rede Firewall Servidor modular de grande capacidade Servidor 12 Introdução às Redes de Telecomunicação 6

7 O que é a Internet: debaixo do capô Aspecto dum data center 13 O que é a Internet: debaixo do capô os protocolos controlam o envio e a recepção de mensagens o e.g., TCP, IP, HTTP, Skype, Ethernet Internet: rede de redes o vagamente hierárquica o Internet pública vs. intranets privadas Normas da Internet o RFC: Request for Comments o IETF: Internet Engineering Task Force Rede móvel Rede doméstica ISP global ISP regional Rede institucional 14 Introdução às Redes de Telecomunicação 7

8 O que é a Internet: perspectiva de serviços a infra-estrutura de comunicação possibilita aplicações distribuídas: o Web, VoIP, , jogos, e-comércio, partilha de ficheiros, telemedicina serviços de comunicação de dados às aplicações: o entrega fiável de dados da origem ao destino o entrega de dados nãofiável (best effort) Rede móvel ISP global Rede doméstica ISP regional Rede institucional 15 O que é um protocolo? protocolos humanos: que horas são? tenho uma questão apresentações protocolos de rede: máquinas em vez de pessoas toda a comunicação na Internet está condicionada por protocolos são enviadas mensagens específicas são efectuadas acções específicas na recepção de mensagens ou em resposta a outros eventos os protocolos definem o formato das mensagens, a ordem de envio e recepção das mensagens entre as diferentes entidades da rede e as acções a efectuar na transmissão ou recepção de mensagens 16 Introdução às Redes de Telecomunicação 8

9 O que é um protocolo? um protocolo humano e outro de redes de computadores: Olá Olá Tens horas? São 2:00 Pedido de ligação TCP Resposta de ligação TCP GET <ficheiro> tempo 17 Sumário 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede (edge) terminais, redes de acesso, ligações 1.3 Núcleo da rede (core) comutação de circuitos, comutação de pacotes estrutura da rede 1.4 Atrasos, perdas e débito em redes de comutação de pacotes 1.5 Camadas protocolares, modelos de serviço 18 Introdução às Redes de Telecomunicação 9

10 Uma visão mais próxima da estrutura da rede: extremidade da rede: terminais e aplicações redes de acesso, meio físico: ligações cabladas e sem fios (wireless) núcleo da rede: routers interligados rede de redes 19 Extremidade da rede: terminais: o correm aplicações (programas) o e.g. Web, modelo cliente/servidor: terminal cliente faz pedidos e recebe serviços de um servidor sempre ligado ex.: browser/servidor web; cliente/servidor de modelo peer-to-peer (p2p): uso mínimo ou ausência total de servidores dedicados Ex.: Skype, emule, BitTorrent p2p c/s 20 Introdução às Redes de Telecomunicação 10

11 Redes de acesso e meio físico P: Como ligar os terminais ao router na extremidade? redes de acesso residenciais redes de acesso institucionais (escola, empresa) redes de acesso móveis Atenção: capacidade (bits por segundo) da rede de acesso? partilhada ou dedicada? 21 Acesso residencial: ponto-a-ponto Ligação por modem o acesso directo ao router até 56kbps (normalmente menos) o não permite navegar e telefonar ao mesmo tempo: não pode ser always on DSL: Digital Subscriber Line o fornecido pelo operador telefónico (geralmente) o até 1 Mbps na transmissão (geralmente 512 kbps) o até 24 Mbps na recepção (geralmente 6 Mbps) o linha física dedicada até à central telefónica 22 Introdução às Redes de Telecomunicação 11

12 Acesso residencial: cabo HFC: hybrid fiber coaxial o ligação assimétrica: até 30Mbps na recepção e 2Mbps na transmissão o rede de cabo coaxial e fibra liga clientes ao router do ISP o acesso partilhado até ao router o normalmente fornecido pelas companhias de TV por cabo 23 Acesso residencial: cabo FDM: 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 Canais V I D E O D A T A D A T A C O N T R O L central rede de distribuição por cabo (simplificada) cliente 24 Introdução às Redes de Telecomunicação 12

13 Acesso residencial: fibra óptica Activas (AON) ou passivas (PON) Oferta comercial desde dezenas de Mbps até 1Gbps Fonte: Imagens da Wikipedia 25 Acesso empresarial: redes locais (LANs) a rede local (LAN) da empresa ou universidade liga os terminais ao router Ex.: Ethernet: o 10 Mbs, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps o configuração moderna: terminais ligam-se ao switch Ethernet 26 Introdução às Redes de Telecomunicação 13

14 Redes de acesso sem fios (wireless) rede de acesso wireless partilhada liga os terminais ao router o através da estação base (ponto de acesso) LANs sem fios: o b/g (WiFi): 11 ou 54Mbps o n: até 600Mbps redes de acesso WAN sem fios o operadores de telecomunicações o ~1Mbps nas redes 3G (EVDO, HSDPA) o brevemente: WiMAX (dezenas de Mbps) numa área mais alargada 27 Redes domésticas Componentes típicos de uma rede doméstica: modem ADSL ou por cabo router/firewall/nat rede Ethernet ponto de acesso wireless de/para a central modem router/ firewall Ethernet ponto de acesso wireless portáteis wireless 28 Introdução às Redes de Telecomunicação 14

15 Meio Físico Bit: propaga-se entre pares emissor/receptor ligação física: o que está entre o emissor e o receptor meio guiado: o sinal propaga-se num meio sólido: par de cobre, fibra óptica, cabo coaxial meio não guiado : o sinal propaga-se livremente (e.g., ondas rádio) Par entrançado dois fios de cobre isolados o Categoria 3: linhas telefónicas tradicionais, Ethernet a 10 Mbps o Categoria 5: Ethernet a 100Mbps 29 Meio Físico: cabo coaxial, fibra óptica Cabo coaxial: dois condutores de cobre concêntricos bidireccional banda-base: o um único canal no cabo o Ethernet antiga banda larga: o múltiplos canais no cabo o HFC Cabo de fibra óptica: fibra de vidro transporta impulsos de luz, um por bit opera a alta velocidade: transmissão ponto-a-ponto de alta velocidade (e.g., 10 s-100 s Gps) baixa taxa de erros: repetidores muito espaçados; imune a ruído electromagnético 30 Introdução às Redes de Telecomunicação 15

16 Meio Físico: rádio sinal transportado no espectro electromagnético sem fios bidireccional efeitos da propagação no meio ambiente: o reflexões o obstrução por objectos o interferência taxa de erros elevada Tipos de ligação rádio: microondas terrestres canais até 45Mbps LAN (e.g., Wifi) 11Mbps, 54Mbps, até 600Mbps wide-area (e.g., rede móvel) satélite rede 3G: ~ 1 Mbps canal entre alguns kbps e 45Mbps (ou múltiplos de menor capacidade) 270ms de atraso extremo-aextremo geosíncrono ou de baixa altitude 31 Sumário 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede (edge) terminais, redes de acesso, ligações 1.3 Núcleo da rede (core) comutação de circuitos, comutação de pacotes estrutura da rede 1.4 Atrasos, perdas e débito em redes de comutação de pacotes 1.5 Camadas protocolares, modelos de serviço 32 Introdução às Redes de Telecomunicação 16

17 O Núcleo da Rede rede emalhada de routers interligados transferência de dados através da rede: o comutação de circuitos: um circuito dedicado por chamada: rede telefónica o comutação de pacotes: dados enviados através da rede partidos em pedaços 33 Núcleo da Rede: Comutação de Circuitos Caminho reservado entre dois terminais o Sequência de ligações préestabelecida entre vários nós (e.g., rede telefónica) A comunicação envolve três fases distintas o Estabelecimento do circuito. o Transferência de dados. o Desconexão do circuito. 34 Introdução às Redes de Telecomunicação 17

18 Núcleo da Rede: Comutação de Circuitos Desenvolvidos para a transmissão de voz Inteligência da comunicação reside na rede Recursos dedicados para cada chamada o Não há partilha (desperdí-cio de capacidade) o Desempenho garantido Boas taxas de utilização para voz o Alguém fala durante a maior parte do tempo Para dados Linha inactiva durante a maior parte do tempo Capacidade de transmissão de dados constante Divisão da capacidade em parcelas No domínio dos tempos (TDM) No domínio das frequências (FDM) 35 Comutação de Circuitos : FDM e TDM FDM Exemplo: 4 utilizadores frequência tempo TDM frequência tempo 36 Introdução às Redes de Telecomunicação 18

19 Exemplo numérico Quanto demora a enviar um ficheiro de bits do terminal A para o terminal B numa rede de comutação de circuitos? o Todas as ligações são de 1,536 Mbps o Cada ligação usa TDM com 24 slots/s o 500 ms para estabelecer o circuito extremo-aextremo 1536Mbps 24 64kbps bits 64kbps 10s 10s + 500ms = 10,5s * Na prática, há que somar a este atraso o tempo de propagação 37 Núcleo da Rede: Comutação de Pacotes Dados da aplicação Rede de comutação de pacotes Dados da aplicação Pacote = pedaço de dados + informação de controlo (cabeçalho) 38 Introdução às Redes de Telecomunicação 19

20 Núcleo da Rede: Comutação de Pacotes ideia: dividir o fluxo de dados extremo-a-extremo em pequenos pedaços (pacotes) pacotes de diferentes utilizadores partilham os recursos de rede cada pacote usa a capacidade total da ligação recursos usados conforme a necessidade contenção no acesso aos recursos: a procura de recursos não pode exceder a oferta disponível congestionamento: pacotes colocados em filas à espera de poder usar a ligação store and forward: os pacotes são transferidos salto-a-salto Cada nó recebe o pacote completo antes de o reenviar Divisão fixa da capacidade da rede Afectação de recursos a fluxos Reserva de recursos 39 Núcleo da Rede: Comutação de Pacotes Cada Pacote é tratado de forma inde-pendente: Não existe relação com os pacotes que o precedem Cada nó escolhe para cada pacote o próximo salto Pacotes para o mesmo destino não seguem necessariamente a mesma rota (embora normalmente sigam) Podem chegar fora de ordem A máquina de destino repõe a ordem original Podem perder-se ou danificarem-se pacotes em trânsito As máquinas de origem e de destino encorregam-se de detectar e corrigir estas situações 40 Introdução às Redes de Telecomunicação 20

21 Comutação de Pacotes: Multiplexagem Estatística A Ethernet 100 Mb/s multiplexagem estatística C B fila de pacotes à espera de poder ser enviados 1.5 Mb/s D E A sequência de pacotes de A e B não tem um padrão fixo, a capacidade é distribuída consoante a necessidade no momento multiplexagem estatística. Por comparação, no TDM cada emissor usa sempre a mesma fatia da trama, e a sequência de fatias repete-se consecutivamente 41 Comutação de Pacotes: store-and-forward L R R R um pacote de L bits demora L/R segundos a ser transmitido (inserido) numa ligação de R bps store and forward: cada pacote tem de ser recebido na sua totalidade pelo router antes que este o possa transmitir na ligação seguinte atraso = 3L/R (assumindo atraso de propagação nulo) Exemplo: L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps atraso de transmissão = 15 sec 42 Introdução às Redes de Telecomunicação 21

22 Comutação de pacotes vs. comutação de circuitos A comutação de pacotes permite ter mais utilizadores na rede! ligação de 1 Mb/s cada utilizador: o 100 kb/s quando activo o activo 10% do tempo N utilizadores comutação de circuitos: o 10 utilizadores comutação de pacotes: o com 35 utilizadores, a probabilidade de ter > 10 activos em simultâneo é < Mbps 43 Pacotes vs. Circuitos Será a comutação de pacotes uma panaceia? óptima para dados em rajadas (bursty) o partilha de recursos o simples, sem estabelecimento prévio de chamada congestionamento: atrasos e perdas de pacotes o são necessários protocolos para conseguir transmissão de dados fiável e controlar o congestionamento P: Como obter desempenho semelhante aos circuitos? garantias de capacidade para fluxos audio/vídeo problema ainda por resolver 44 Introdução às Redes de Telecomunicação 22

23 Internet: uma rede de redes A Internet é constituída por Backbones: infraestruturas de interligação de redes, como o NSFNET, nos EUA, GÉANT na Europa, bem como backbones de operadores comerciais como a PT Redes regionais, ligando, por exemplo universidades e institutos de investigação, e.g., FCCN Redes comerciais, por exemplo, para uso interno ou para fornecimento de serviços a assinantes, com ligações à Internet, e.g., PT, CLIX, NETCABO Redes locais 45 RCTS (Rede Ciência, Tecnologia e Sociedade) Rede de investigação e ensino nacional Plataforma de comunicação para que investigadores, professores e alunos portugueses tenham acesso a uma rede capaz de fazer face às exigentes necessidades desta comunidade 46 Introdução às Redes de Telecomunicação 23

24 GÉANT Rede pan-europeia de investigação e educação Interliga a RCTS e as congéneres de 30 países europeus Núcleo a 10Gbps, ligações a partir de 155Mbps 47 Internet: uma rede de redes Um fluxo de pacotes atravessa muitas redes Rede móvel ISP global Rede doméstica ISP regional Rede institucional 48 Introdução às Redes de Telecomunicação 24

25 Sumário 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede (edge) terminais, redes de acesso, ligações 1.3 Núcleo da rede (core) comutação de circuitos, comutação de pacotes estrutura da rede 1.4 Atrasos, perdas e débito em redes de comutação de pacotes 1.5 Camadas protocolares, modelos de serviço 49 Como ocorrem os atrasos e perdas? os pacotes são colocados em filas de espera nos routers taxa de chegada de pacotes à ligação de saída excede a sua capacidade os pacotes ficam na fila, à espera da sua vez A pacote a ser transmitido (atraso) B pacotes na fila de espera (atraso) espaço livre na fila: se não existir espaço livre quando chega um pacote, ele é eliminado (perdas) 50 Introdução às Redes de Telecomunicação 25

26 Quatro Fontes de Atraso 1. Processamento nos nós: o verificação de erros o determinação da ligação saída 2. Filas de espera o tempo de espera pela transmissão na ligação de saída o depende do nível de congestionamento do router A B processamento nos nós filas de espera 51 Quatro Fontes de Atraso 3. Atraso de transmissão: R= capacidade da ligação (bps) L= comprimento do pacote (bits) tempo para colocar os bits no link = L/R A transmissão propagação 4. atraso de propagação: d = comprimento do meio físico (distância) s = velocidade de propagação no meio (~2x10 8 m/s) atraso de propagação = d/s Nota: s e R são coisas muito diferentes! B Exemplo 52 Introdução às Redes de Telecomunicação 26

27 Atraso nos nós d nó d proc d fila d trans d prop d proc = atraso de processamento o tipicamente alguns microssegundos (ou menos) d fila = atraso na fila de espera o depende do congestionamento d trans = atraso de transmissão o = L/R, significativo em ligações de baixa capacidade d prop = atraso de propagação o desde alguns microssegundos a centenas de milissegundos 53 Mais sobre o atraso na fila de espera R=capacidade da ligação (bps) L=comprimento do pacote (bits) a=taxa média de chegada de pacotes intensidade de tráfego = L x a/r (tráfego oferecido) La/R ~ 0: tempo médio de espera pequeno La/R 1: o tempo de espera aumenta muito La/R > 1: mais trabalho a chegar do que se consegue despachar tempo médio de espera infinito *! 54 Introdução às Redes de Telecomunicação 27

28 Perdas de pacotes fila de espera tem capacidade finita um pacote que chegue e encontre a fila cheia é eliminado (perde-se) um pacote perdido pode ser retransmitido pelo nó anterior ou pelo nó de origem, ou não ser retransmitido A fila de espera pacote a transmitir B um pacote que encontra a fila cheia vai perder-se 55 Débito débito: taxa (bits/unidade de tempo) à qual os bits são transferidos entre o emissor e o receptor o instantâneo: débito num instante específico o médio: débito ao longo de períodos de tempo mais alargados servidor com envia ficheiro bits (fluido) de F bits através a enviar doao tubo cliente capacidade tubo capaz da ligação de tubo capacidade capaz da de ligação transportar transportar R s bits/s fluido com fluido com R c bits/s débito R c (bits/s) débito R s (bits/s) 56 Introdução às Redes de Telecomunicação 28

29 Débito R s < R c Qual é o débito médio? R s bits/s R c bits/s R s > R c Qual é o débito médio? R s bits/s R c bits/s ligação de estrangulamento ligação ao longo do caminho que limita o débito do fluxo 57 Débito: um cenário na Internet P: débito por conexão? o min(r c,r s,r/10) R s R s R s na prática: R c ou R s são frequente/ as ligações de estrangulamento R c R c R R c 10 conexões partilham (de forma justa) a capacidade da ligação de backbone, R bits/s 58 Introdução às Redes de Telecomunicação 29

30 Sumário 1.1 O que é a Internet? 1.2 Extremidade da rede (edge) terminais, redes de acesso, ligações 1.3 Núcleo da rede (core) comutação de circuitos, comutação de pacotes estrutura da rede 1.4 Atrasos, perdas e débito em redes de comutação de pacotes 1.5 Camadas protocolares, modelos de serviço 59 Camadas Protocolares As redes são complexas! muitas peças : o terminais o routers o ligações de diferentes tipos o aplicações o protocolos o hardware, software 60 Introdução às Redes de Telecomunicação 30

31 Envio de Correspondência Aviso Recepção Aviso Recepção Registo Registo Rua, Número Rua, Número Rua, Número Código Postal Código Postal Código Postal Código Postal Dist. Regional Dist. Local Cada camada usa a anterior acrescentando algo: o Precisão endereço o Serviços extras (fiável, aviso de recepção) 61 Porquê estruturar em camadas? Lidar com sistemas complexos: Uma estrutura explícita permite a identificação e o relacionamento de diferentes peças do sistema o modelo de referência para discussão A modularização facilita a manutenção e actualização do sistema o Alterações na implementação de uma camada são transparentes para o resto do sistema 62 Introdução às Redes de Telecomunicação 31

32 Pilha protocolar da Internet aplicação: aplicações em rede o FTP, SMTP, HTTP transporte: transferência de dados entre processos o TCP, UDP rede: encaminhamento dos data-gramas entre a origem e o destino o IP, protocolos de encaminhamento ligação lógica: transferência de dados entre elementos de rede adjacentes o PPP, Ethernet ligação física: bits no cabo Aplicação Transporte Rede Lógica Física 63 Modelo de referência ISO/OSI apresentação: permite às aplicações interpretar o significado dos dados, e.g., compressão, cifragem, convenções específicas da máquina sessão: autenticação, sincronização, checkpointing, recuperação de sessões a pilha da Internet não tem estas duas camadas! o estes serviços, se necessários, têm de ser implementados na camada de aplicação Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Lógica Física 64 Introdução às Redes de Telecomunicação 32

33 messagem segmento C t datagrama C n C t trama C l C n C t M M M M origem aplicação transporte rede lig. lógica lig. física Encapsulamento link physical switch C l C n C n C t C t C t M M M M destino aplicação transporte rede lig. lógica lig. física C l C n C n C t C t M M network link physical C n C t M router 65 FIM DA INTRODUÇÃO ÀS REDES DE COMUNICAÇÃO DE DADOS Introdução às Redes de Telecomunicação 33