Informática para Ciências e Engenharias (B) 2015/16. Teórica 7

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1 Informática para Ciências e Engenharias (B) 2015/16 Teórica 7

2 Na aua de hoje Introdução às redes de computadores e à Internet: Redes de computadores e seus protocoos Obtenção de dados da Internet usando o MATLAB/Octave. Métodos de Monte Caro Revisão: for, if, matrizes, gráficos

3 Redes de Computadores Redes de computadores

4 Redes de Computadores Um conjunto de computadores pode ser interigado com o objectivo de trocar informação e partihar recursos, transferindo dados entre si. Exempo: pesquisa no Googe Enviam-se os termos a pesquisar, Usam-se os recursos do motor de pesquisa, e Obtem-se de vota o resutado.

5 Redes de Computadores Numa transferência intervêm dois computadores e a rede. Nó emissor: produz uma sequência de bytes (mensagem) Nó receptor: recebe essa sequência de bytes A rede, a infraestrutura que incui Meios de interigação: cabos, atmosfera, Computadores dedicados a encaminhar a mensagem do nó emissor ao nó receptor.

6 Redes de Computadores Em muitos casos, a reação é assimétrica Por exempo, Browser Pedido (request) Nota: Um servidor pode servir vários cientes em simutâneo. Programa Ciente Programa Servidor Resposta (response) Por exempo, Servidor Web

7 Redes de Computadores O servidor gere um recurso e fornece um serviço aos cientes manipuando esse recurso. Um servidor Web pode gerir recursos com dados ou programas que executa por conta dos cientes. Um Servidor FTP ou de emai funciona de forma anáoga. 1. Ciente: envia pedido Programa Ciente Programa Servidor Recurso 4. Ciente processa a resposta 3. Servidor Envia a resposta 2. Servidor processa o pedido

8 Redes de Computadores Exempo 1. O browser pede uma página de um bog 2. O servidor do bog recebe o pedido, obtém o conteúdo da base de dados Texto, comentários, imagens, etc 3. O servidor envia essa informação, devidamente estruturada 4. O browser processa a informação e apresenta a página.

9 Redes de Computadores Nos nós terminais Paca ethernet sinais por cabo Paca Wi-Fi sinais por ondas rádio Rede oca LAN, Loca Area Network ~1km; os computadores estão igados directamente.

10 Redes de Computadores LAN Cobre um edifício, ou edifícios próximos WAN Wide Area Network Liga redes ocais Encaminhador Router, gateway máquina dedicada que iga redes diferentes e.g. LAN a WAN

11 Redes de Computadores Exempo: Duas LAN igadas por 3 encaminhadores (routers). Ethernet ou WiFi Nó Nó Nó Nó Ethernet ou WiFI Router Nó Nó Router Ligação via satéite Ligação fibra óptica Router

12 Protocoos Internet Poder enviar sinais não basta. É preciso saber Remetente e destinatário Controar o tráfego Como interpretar o conteúdo, etc. Ou seja, são necessários protocoos

13 Protocoos Internet Níve físico Sinais entre os nós da rede Moduação e conversão Fibra óptica, teefone, cabo, ethernet,...

14 Protocoos Internet Níve físico Níve da igação Transmissão de conjuntos de bits entre nós da rede Correcção de erros, gestão de fias de espera,...

15 Protocoos Internet Níve físico Níve da igação Níve IP (Internet Protoco) Gere os pacotes de bytes, endereçamento e reencaminhamento A informação é dividida em pacotes (sequências de bytes), encaminhados individuamente ao destino. Cada máquina tem um endereço e cada pacote tem o endereço do destinatário

16 Protocoos Internet Internet Protoco (IP) o protocoo IP (versão 4) especifica um endereço único com 32 bits para cada máquina (128 bits no IPv6) mas permite redes privadas e.g. em cada casa o router doméstico cria uma rede com os endereços (0 255), e o ISP fornece um outro endereço para toda essa rede.

17 Protocoos Internet Níve físico Níve da igação Níve IP (Internet Protoco) Níve de transporte (TCP). Gere o transporte de dados, encarregando-se da gestão de pacotes, detecção e recuperação de erros, etc.

18 Protocoos Internet Níve físico Níve da igação Níve IP (Internet Protoco) Níve de transporte (TCP). Níve da apicação Protocoos destinados a gerir a comunicação entre apicações ou com o utiizador e.g. HTTP, DNS,...

19 Protocoos Internet

20 Protocoos Internet Normamente não vemos endereços IP Usamos endereços simbóicos Strings associadas aos endereços IP e.g. O DNS (Domain Name System) é um sistema hierárquico de servidores que mapeia os endereços simbóicos em endereços IP.

21 Protocoos Internet Top Leve Domains Top Leve Domain biz com edu info gov mi net org Utiização Negócios Comercia (EUA) Educação (EUA) Informação Governo (EUA) Miitar (EUA) Rede Sem fins ucrativos

22 Protocoos Internet Fora dos Estados o TLD é o código (com 2 etras) do país. País TLD pt uk es fr nz cn Portuga Reino Unido Espanha França Nova Zeândia China

23 Protocoos Internet Domínio raiz edu gov com uk pt cmu googe ibm ut un cs Top Leve Domains fe fct di

24 Protocoos Internet Endereços simbóicos, exempo nsookup (no command prompt ou consoa) ~$ nsookup fct.un.pt... Name: fct.un.pt Address:

25 Protocoos Internet asc.di.fct.un.pt Nome da máquina Organização Top eve domain (TLD) ~$ nsookup asc.di.fct.un.pt... asc.di.fct.un.pt canonica name = di78.di.fct.un.pt. Name: di78.di.fct.un.pt Address:

26 Protocoos Internet Exempo: Em Março 2015 vários ISP boquearam o acesso ao site thepiratebay.se por ordem judicia. Fizeram-no configurando os seus servidores DNS para não resover este nome em endereço IP Mas o boqueio pode ser facimente contornado usando outro servidor DNS, e.g. Googe: , Open DNS:

27 Internet Reenvio de pacotes O remetente envia cada pacote ao router na sua rede. Cada router reenvia os pacotes ao router que (estima) está mais próximo do destinatário Peo endereço IP e tempos de transmissão Este processo é dinâmico, permitindo gerir o tráfego e contornar fahas pontuais na rede. Eventuamente, o pacote chega a um router que o envia ao destinatário

28 Internet Desta forma, a rede de redes pode crescer

29 Programas Servidores Nos servidores há programas que esperam por pedidos (programas servidores) São executados em background, sem interacção directa com utiizadores (deamons) Aguardam pedidos dirigidos a portas específicas Uma porta é um endereço dentro da própria máquina Exempos Servidor Web (porta 80) Servidor Fie Transfer Protoco (FTP, portas 20 e 21)

30 Programas Servidores Exempos: Servidor Web (porta 80) Recursos: ficheiros, programas, páginas dinâmicas Serviços: obter ficheiros e executar programas CGI a pedido do ciente. Servidor FTP (portas 20 e 21) Recursos: ficheiros Serviços: eitura e escrita de ficheiros Servidor de Mai (porta 25, SMTP) Recursos: ficheiro spoo de emai. Serviços: armazena as mensagens no ficheiro spoo

31 Programas Cientes Exempos: Browser, ftp, ssh,... Encontra o programa servidor Peo endereço da máquina onde o programa servidor está a ser executado Pea porta associada ao protocoo e serviço Por exempo, o browser contacta a máquina com aquee endereço IP na porta 80 para o protocoo HTTP.

32 Word Wide Web Word Wide Web

33 Word Wide Web 1989 Tim Berners-Lee (no CERN) escreve uma proposta para desenvover um sistema distribuído de hiper-texto. Ligar uma web of notes with inks para ajudar os físicos do CERN a partihar informação em grandes projectos Tim B-L escreve um browser com interface gráfica.

34 Word Wide Web A Web (teia) Documentos interigados e sofware para consutar e manipuar essa informação. Protocoos da Web Protocoos de apicação que gerem a partiha da informação. Página Web Documento com dados e, normamente, igações (ink) a outros documentos. Link (eo) Ligação entre duas páginas Web.

35 Word Wide Web Site Web Conjunto de páginas Web reacionadas e, geramente, armazenadas na mesma máquina. Servidor Web - servidor Programa, na máquina que aoja a informação, que responde a pedidos de acesso às páginas Web. Browser Web - ciente Ferramenta que pede páginas Web e as mostra. Indica a ocaização desse recurso ao servidor: URL

36 Word Wide Web A Web não é a Internet a Internet incui muito mais do que a Web a Web existe sobre a Internet Três eementos centrais da Web são URL - Uniform Resource Locator ou endereço Web HTML - Hypertext MarkupLanguage inguagem das páginas Web HTTP - Hypertext Transfer Protoco Protocoo de igação

37 URL - Uniform Resource Locator Forma normaizada de especificar a ocaização de um recurso na Web. Protocoo (pode ser omitido); Nome da máquina; Recurso (e.g. um ficheiro no servidor). Protocoo Máquina Endereço IP:x.x.x.x Nome DNS Ficheiro /home/pm/pubic-htm/index.htm

38 HTML Hypertext Markup Language (HTML) Linguagem usada para criar páginas Web. é uma markup anguage porque usa marcas (tags) para anotar a informação. Tags (marcas) Especificam a interpretação do conteúdo A forma concreta como a informação é mostrada no ecrã é decidida peo browser.

39 HTML HTML Código Fonte

40 HTML HTML Representação peo Browser Apresentação no ecrã

41 HTML Marcas (tags) Coocadas entre os símboos < e > A marca fina distingue-se da inicia pea </..> Eementos Os eementos da página são definidos por uma marca inicia e fina envovendo o conteúdo. e.g. <TITLE>Títuo</TITLE> Ou podem ser vazios:

42 HTML Exempos ... especifica um parágrafo separado. indica uma mudança de inha. <CENTER>... </CENTER> centra o conteúdo. conteúdo em itáico. conteúdo em negrito (bod). <HR> insere um separador horizonta a toda a argura da página (mudança de contexto).

43 HTML Exempos ... especifica um parágrafo separado. <UL> </UL> define uma ista de itens. <LI> </LI> define um item. <H1> </H1> Formatação do texto no estio H1 reevo máximo (dimensão das etras ). <H8> </H8> Formatação do texto no estio H8 reevo mínimo.

44 HTML Nota: No standard HTML5 a ênfase é na semântica e não no aspecto visua. Várias tags foram deegadas para fohas de estio (e.g. CENTER) ou têm significado diferente (e.g. HR)

45 HTML A tag pode ter também atributos informação adiciona acerca do eemento. nome-do-atributo="vaor" Exempo Imagem: <IMG SRC="imagem.gif">

46 HTML Links (hiper-igação) Tag A (âncora) Usa o atributo HREF Exempo <A HREF = " página das práticas de ICE-B</A>

47 Protocoo HTTP Browser Pedido GET /index.htm HTTP/1.1 Linhas com informação sobre o pedido e o browser Linha em branco Mais inhas opcionais Servidor Resposta 200 OK HTTP/1.1 Linhas com informação sobre a resposta e o servidor Linha em branco Mais inhas opcionais <htm> </htm> Pedidos e respostas são codificados em bocos de texto

48 WWW Exempo Utiizador especifica URL, o browser pede o recurso ao servidor, este envia os dados com o texto, imagens, etc.

49 Conteúdo Estático O conteúdo pode ser dinâmico Quando é pedido um recurso dinâmico, o servidor executa um programa que o gera no momento. Por exempo, páginas de um bog, Facebook, etc

50 Conteúdo Dinâmico O conteúdo pode ser estático é enviado um ficheiro que existe no servidor Exempos: ficheiros HTML, imagens, audio cips. URLs para conteúdos estáticos: Identificam o ficheiro index.htm gerido peo servidor em à escuta na porta 80.

51 MATLAB e WWW Usar recursos remotos em MATLAB

52 MATLAB e WWW O MATLAB (e Octave) incui funções para aceder a recursos peo URL [conteudo, sucesso] = urread( ur ) A função urread acede ao URL ur e retorna: na string conteudo o conteúdo obtido; no booeano sucesso o vaor true (1), se a operação teve sucesso, e o vaor fase (0), se a operação não teve sucesso.

53 MATLAB e WWW O MATLAB (e Octave) incui funções para aceder a recursos peo URL [ncomp,sucesso]=urwrite(ur,nomefich) A função urwrite acede ao URL ur, grava o conteúdo no ficheiro nomefich e retorna: na string ncomp o nome competo do ficheiro oca, incuíndo o caminho; no booeano sucesso o vaor true (1), se a operação teve sucesso, e o vaor fase (0), se a operação não teve sucesso.

54 Exempo : Pauta Exempo : Pauta

55 Exempo : Pauta Exempo: Cacuar notas dos aunos de ICE Criar uma pauta As notas dos trabahos e testes estão num servidor: ; ;

56 Exempo : Pauta Compreender o probema Caracterizar: Entrada: URL Saída: pauta com as avaiações Tarefas Obter os dados remotos (urread) e converter numa matriz (já vamos ver como...) Cacuar a pauta Nota: Já resovemos este probema na aua 4

57 Exempo : Pauta Assinaturas das funções Ler as notas function notas = enotas(ur) Da aua 4 function pauta = cacuapauta(notas) function nota = cacuanota(notas) function res = arredonda(vaor,casasdec) Juntar tudo function pauta = cacuapautaur(ur)

58 Exempo : Pauta Converter string em números: str2num octave:11> a=str2num(s) a = 123 octave:12> a+1 ans = 124 octave:9> s='123' s = 123 octave:10> s+1 ans = octave:13> mstr='1,2,3;4,5,6;7,8,9' mstr = 1,2,3;4,5,6;7,8,9 octave:14> m=str2num(mstr) m =

59 Exempo : Pauta Os dados do servidor são fáceis de converter Basta usar a função str2num ; ; ;...

60 Exempo : Pauta

61 Exempo : Pauta Testar a função enotas: > ur=' notasa.txt' > ns = enotas(ur) ns = [](0x0 Fahou a eitura do URL dado: o ficheiro tem o nome errado

62 Exempo : Pauta Testar a função enotas: > ur=' notasac.txt' ; ; ; > ns = enotas(ur)... ns =

63 Exempo : Pauta

64 Exempo : Pauta Testar a função cacuapautaur: > ur=' notasac.txt' > pauta=cacuapautaur(ur) pauta =

65 Acesso Loca O URL pode ser usado para designar um ficheiro oca Nesse caso o protocoo não será http mas sim fie. Por exempo, guardando notasac.txt na pasta de trabaho: octave:11> ur='fie://notasac.txt ; octave:12> pauta = cacuapautaur(ur) pauta =

66 Métodos de Monte Caro Métodos de Monte Caro

67 Métodos de Monte Caro Nome cunhado peo matemático Nichoas Constantine Metropois ( ) Conjunto de métodos baseados em números (pseudo) aeatórios.

68 Monte Caro: Cácuo de π Métodos de Monte Caro: Cácuo de π

69 Cácuo de Áreas Objectivo Estimar a área de uma função (área debaixo da curva) Ideia: Gerar pontos aeatoriamente num rectânguo que circunscreva a função 1 f ( x) = 1 x 2 B A Estimar a área pea fracção dos pontos abaixo da curva 1 Nota: Neste caso, pode-se estimar o vaor de π (a área é π/4)

70 Cácuo de Áreas Gerar pontos aeatoriamente Usar a função rand() que gera uma distribuição uniforme entre 0 e 1 Contar quantos pontos ficam abaixo da curva correspondente à função f 1 f ( x) = 1 x 2 B A x = rand() y = rand() n = n + (y < f(x)) 1

71 Cácuo de Áreas Em gera Gerar N pontos ao acaso numa região conhecida que incua a região de interesse Geração de números (pseudo) aeatórios contar quantos incidem na área de interesse a área de interesse será, aproximadamente, essa fracção da área conhecida Funciona tanto mehor quanto maior for N e quanto maior for a fracção na área de interesse.

72 Cácuo de π Função estimapi recebe o número de pontos a gerar para a estimativa devove o vaor estimado de π duas matrizes com os pontos (x,y) que cairam dentro e fora da área de interesse, para o gráfico. Assinatura da função: function [res, ptsdentro, ptsfora] = estimapi(n)

73 Cácuo de π Cico principa para gerar e testar N pontos

74 Cácuo de π Função rand simua números aeatórios (pseudo-aeatórios) 0 <= rand < 1 octave:46> rand ans = octave:47> rand ans = octave:48> rand ans = octave:49> rand ans =

75 Cácuo de π Um ponto gerado a cada iteração conta: dentro se a distância à origem não utrapassar a unidade, fora se utrapassar. Incrementando as variáveis ixdentro e ixfora mantemos a contagem e o índice do ponto na matriz respectiva.

76 Cácuo de π O resutado, a estimativa de π, é o quádrupo da área estimada pea proporção de pontos dentro. É preciso também redimensionar as matrizes dos pontos de acordo com o número efectivo de pontos (N inhas era o máximo possíve, para evitar redimensionar as matrizes muitas vezes durante o cico).

77 Cácuo de π (estimado) Script de testes

78 N=100 Cácuo de π (estimado)

82 Cácuo de π (estimado) Mais pontos, mais rigor

83 Monte Caro: Risco de Incêndio Métodos de Monte Caro: Risco de Incêndio

84 Monte Caro: Risco de Incêndio Incêndio Simuação aeatória Cada simuação dá um resutado diferente Método de Monte Caro: Fazer muitas simuações Tirar estatísticas.

85 Risco de Incêndio Simuação de incêndio (aua 6) Assinaturas das funções já impementadas function novoestado=propaga(estado,... mapa,probpropagar,efeitodecive) function estado=extingue(estado,probapagar) function incendio(mapa,focoinicia, probpropagar,... probapagar,efeitodecive,iteracoes)

86 Risco de Incêndio Objectivo Obter um mapa com as probabiidades do incêndio chegar a cada ponto em certo tempo O tempo é o número de iterações As probabiidades são estimadas peo número de vezes que o incêndio chega á.

87 Risco de Incêndio Agoritmo Para um certo número N de iterações: Correr várias vezes a simuação Em cada vez, marcar onde o incêndio chegou Contar quantas vezes chegou a cada sítio

88 Risco de Incêndio Como impementar Correr várias vezes a simuação Criar uma função, com um cico for A cada vez, marcar onde o incêndio chegou Precisamos do resutado da simuação do incêndio Contar quantas vezes chegou a cada sítio Na função que corre várias vezes a simuação, criar uma matriz e ir contando a cada simuação.

89 Risco de Incêndio Assinaturas: As funções propaga e extingue são as da aua 6, sem modificação: function novoestado=propaga(estado,mapa,... probpropagar, efeitodecive) function estado=extingue(estado,probapagar)

90 Risco de Incêndio Assinaturas: Mas temos de aterar a função incendio... function incendio(mapa,focoinicia,probpropagar,... probapagar,efeitodecive,iteracoes) Apenas igeiramente: precisamos que devova o estado fina da simuação, para saber onde chegou o fogo function estado=incendio(mapa,focoinicia,... probpropagar,probapagar,efeitodecive,iteracoes)... e não queremos que desenhe o gráfico, porque demora mais e é desnecessário

91 Risco de Incêndio Assinaturas: Depois precisamos de uma função que cacue o perigo de incêndio pea contagem, simuando vários incêndios Recebe os argumentos de que a simuação precisa, mais o número de repetições function contagens = perigo(mapa,focoinicia,... probpropagar,probapagar,efeitodecive,... iteracoes,repeticoes)

92 Risco de Incêndio: Impementação Impementação: Modificar a função incêndio Devover o estado fina Não desenhar os gráficos, porque vamos ter de a executar muitas vezes

93 Risco de Incêndio: Impementação Adaptação da função incêndio Devove o estado

94 Risco de Incêndio: Impementação Nova função: perigo para obter a contagem por cada ponto do mapa. function contagens = perigo(mapa,focoinicia,... probpropagar,probapagar,efeitodecive,... iteracoes,repeticoes)

95 Risco de Incêndio: Impementação Para cada repetição, corre-se a simuação de um incêndio, guardando-se o estado fina.

96 Risco de Incêndio: Impementação Depois, conta-se (soma-se 1) em cada ocaização que esteja a arder ou tenha ardido, numa matriz que começou a 0.

97 Risco de Incêndio: Impementação Estas instruções servem apenas para seguirmos o progresso do cácuo, porque demora agum tempo. O disp(f) escreve o vaor de f na consoa, e o comando ffush(stdout) obriga o interpretador a actuaizar a consoa imediatamente.

98 Risco de Incêndio: Testes Testes Para correr a função perigo e ver o resutado precisamos do mapa, da matriz de propagação, e de criar o gráfico. Para a testar podemos criar um script de testes, ou fazer outra função. Para testes um script é normamente mais prático.

99 Risco de Incêndio: Testes

101 Risco de Incêndio: Extras Truques úteis mas opcionais: ffush(stdout) para mostrar informação na consoa durante a execução more off para não interromper quando há mais do que um ecrã de informação print('nome.jpg') para gravar imagens Scripts de testes Mas exigimos que testem as funções!

102 Risco de Incêndio: Demo Apicação: Cada hora de incêndio são 10 iterações Queremos incêndios de 1 a 15 horas, com 100 repetições para cada simuação. Corremos o programa com vários vaores para o número de iterações da simuação. podia ser mais eficiente se fossemos guardando os resutados intermédios durante a simuação, mas isso exigiria aterações mais profundas.

104 Risco de Incêndio: Demo Apicação: Incêndios de 1 a 15 horas de duração 100 repetições de cada simuação. Com e sem vento Isto demora várias horas a cacuar Mas vamos gravando as imagens e vemos o resutado no fina sem_vento01.jpg,, com_vento15.jpg

105 Risco de Incêndio: Demo 1 a 15 horas simuadas Sem vento Com vento

106 Risco de Incêndio: Demo 1 hora simuada 10 iterações)

107 Risco de Incêndio: Demo 5 horas simuada 50 iterações

108 Risco de Incêndio: Demo 15 horas simuada 150 iterações

109 Métodos de Monte Caro Resumindo: Usa-se um agoritmo não determinista (aeatório) para simuar o objecto de estudo Amostram-se o espaço de possibiidades Cacuam-se estatísticas dessa amostra

110 Dúvidas?