1 Redes de comunicação de dados

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1 1 Redes de comunicação de dados Nos anos 70 e 80 ocorreu uma fusão dos campos de ciência da computação e comunicação de dados. Isto produziu vários fatos relevantes: Não há diferenças fundamentais entre processamento de dados (computadores) e comunicação de dados (transmissão e equipamentos de comutação); Não há diferenças fundamentais entre comunicação de dados, voz e vídeo; A distinção entre computador com um processador, computador com multiprocessadores, redes locais, redes metropolitanas e redes de longa distância não é clara. 1.1 Aplicações Compartilhamento de recursos: programas, equipamentos e dados disponíveis para qualquer um na rede não importando a localização da fonte ou do usuário. Serviços , FTP, Telnet, acesso a web; Vídeo conferência; Acesso a banco de dados; Aplicações Cliente/Servidor. 1.2 Cobertura Geográfica das Redes Redes de Longa Distância (Wide Area Networks WANs) Cobrem grandes áreas (paises, continentes, mundo) Usam linhas telefônicas alugadas (caras!): Taxa de acesso do usuário: 56kbps 155Mbps tipicamente Enlaces de comunicações compartilhados: comutadores e roteadores. Ex.: IBM SNA, rede X.25, Internet Redes Locais (Local Area Networks LANs) Cobrem escritórios ou edifícios; Único enlace (canal compartilhado) (barato!); Taxa do usuário: 10Mbps 1Gbps. Ex.: Ethernet, Token Rings, Apple talk. Redes Metropolitanas (Metropolitan Area Networks - MANs) Metropolitan Area Network Cobrem uma cidade, geralmente interconectam diferentes LANs em uma mesma cidade. 1

2 2 Tipos de serviços de comunicação fornecidos pela rede Em uma rede de comunicação, os sistemas finais, por exemplo os computadores, trocam mensagens entre si através do meio de comunicação. Para a Internet os serviços de comunicação que permitem essa troca de mensagens são de dois tipos: serviço orientado a conexão e serviço não orientado a conexão. 2.1 Serviços orientados a conexão Nesse serviço as máquinas origem e destino estabelecem uma conexão antes que quaisquer dados sejam transferidos. Os quadros enviados são numerados fazendo com que eles sejam recebidos na ordem correta e sem erros. Na Internet os serviços orientados a conexão vêm acompanhados de outros serviços entre eles transferência confiável de dados, controle de fluxo e controle de congestionamento. A transferência de dados confiável é obtida por meio de confirmações e retransmissões. Em outras palavras, uma mensagem (acknowledgement) é enviada pela máquina receptora à máquina transmissora confirmando a chegada do serviço. Caso a mensagem não chegue, haverá retransmissão. O controle de fluxo evita que um dos lados de uma conexão sobrecarregue o outro enviando pacotes muito rapidamente (taxas acima do possível de ser processada pelo receptor). O controle de congestionamento evita que o sistema pare. Isso é feito forçando os sistemas finais a diminuir a velocidade de envio de pacotes e determinando rotas para o fluxo de pacotes na rede. Utilizando estes serviços, a transferência de dados é realizada em três etapas: estabelecimento de conexão (inicialização das variáveis e contadores), a transferência de dados e a desconexão (liberação de variáveis e contadores). 2.2 Serviços não orientados a conexão Não há apresentação mútua nesse tipo de serviço. Quando um dos lados de uma aplicação quer enviar pacotes ao outro, a aplicação remetente simplesmente envia. Cada mensagem carrega seu endereço de destino completo e cada mensagem é roteada através de um sistema independente. Uma consequência disso é que se duas mensagens são enviadas ao mesmo endereço a primeira mensagem pode chegar depois da segunda devido as rotas escolhidas. 3 Comutação de circuitos, comutação de mensagens e comutação de pacotes A comutação por circuitos e comutação por pacotes dizem respeito a forma como a malha de roteadores se conecta para prover a comunicação para os sistemas finais. Para transmissão de dados (voz, imagem, texto) em longas distâncias, a comunicação é realizada através de 2

3 nós intermediários de comutação (roteadores). Esses nós de comutação não se preocupam com o conteúdo dos dados, simplesmente fornecem facilidade de chaveamento para mover dados de um nó a outro, até o destino. 3.1 Comutação de circuitos Os recursos ao longo de um caminho ficam reservados (buffers, largura de banda) para prover a comunicação. Um exemplo clássico de comutação de circuito ocorre quando você se conecta através do seu microcomputador (via Home Banking através de um número telefônico exclusivo para este serviço) com o seu banco para efetuar operações bancárias, como, por exemplo, solicitar um talão de cheques. A comutação por circuitos envolve três fases: (1) Estabelecimento da conexão (circuito); (2) Transmissão de dados e (3) Término da conexão. Este tipo de conexão possui uma grande vantagem e outra grande desvantagem: Vantagens Sistema menos sujeito a falhas. Após a conexão estabelecida entre as partes, o canal que é aberto para a comunicação não estará acessível a outro equipamento, oferecendo assim um alto grau de confiabilidade. Desvantagens Há falta de flexibilidade, pois se ocorrer a necessidade de comunicação com outro equipamento/ sistema, será necessário a troca de circuito de comunicação. Note que, na comutação de circuitos, o caminho alocado durante a fase de estabelecimento da conexão permanece dedicado àquelas estações até que uma delas (ou ambas) decida desfazer o circuito. Isso significa que, caso o tráfego entre as estações não seja constante e contínuo, a capacidade do meio físico será desperdiçada. Em compensação, existe a garantia de que uma taxa de transmissão está sempre disponível quando as estações desejam se comunicar, pois não há contenção alguma de recursos. O caminho dedicado entre a origem e o destino pode ser: Um caminho físico formado por uma sucessão de enlaces físicos que permanecem alocados a conexão até o momento da desconexão. Em cada nó intermediário, uma chave fecha um circuito entre duas portas no momento da conexão. Assim, ao final da conexão, um circuito físico estará fechado entre o nó de origem e destino. É a comutação de circuitos através de chaveamento espacial ou físico. Para a multiplexação por divisão em frequência (FDM), cada canal de voz ou dados é deslocado para uma frequência específica, com o objetivo de enviar vários canais de voz em frequência diferentes em um mesmo condutor, conforme exemplifica a Figura 2. É a comutação de circuitos através de chaveamento de frequências. 3

4 Figura 1: Comutação de Circuitos Na multiplexação por divisão no tempo (TDM), o tempo é dividido em intervalos fixos de duração T denominado frames. Cada frame é subdivido em N subintervalos denominados slots. Denomina-se canal ao slot, um em cada frame, identificado por uma posição dentro desses frames (Sinal Digital). A Figura 3 exemplifica a multiplexação por divisão. É a comutação de circuitos através de chaveamento do tempo. Figura 2: Multiplexação por divisão em frequência 4

5 3.2 Comutação de mensagens Figura 3: Multiplexação por divisão no tempo Na comutação de mensagens não é necessário o estabelecimento de um canal (caminho) dedicado entre as estações. Ao invés disso, se uma estação deseja transmitir uma mensagem (uma unidade lógica de informação), ela adiciona o endereço de destino a essa mensagem que será então transmitida pela rede de nó em nó. Em cada nó, a mensagem inteira é recebida e o próximo caminho da rota é determinado com base no endereço contido na mensagem. Os recursos não são reservados, são utilizados sob demanda. Os equipamentos que estiverem participando da comunicação na rede estarão ligados através de roteadores (mesmo circuito) e, desta forma, poderão trocar informações entre si. Os pacotes podem ter que esperar para conseguir acesso ao enlace. O caminho pode se encontrar ocupado pela transmissão de uma outra mensagem. E ainda, outras mensagens já podem estar esperando para serem transmitidas por ese mesmo caminho. Nesse caso, a mensagem espera em uma fila até que chegue a sua vez de ser transmitida e o caminho esteja liberado, quando então a transmissão se inicia. Assim, uma mensagem caminha de nó em nó pela rede utilizando apenas um canal por vez, sendo armazenada e retransmitida em cada nó (store-and-forward). A Figura 4 ilustra esse processo. Pode-se observar algumas características na comutação de mensagem em relação à comutação de circuitos: O aproveitamento das linhas de comunicação é maior, já que os canais podem ser compartilhados por várias mensagens ao longo do tempo, devido ao fato de não haver alocação dos canais (as mensagens são transmitidas por demanda). Quando o tráfego se torna alto em uma rede de comutação de circuitos, pedidos de novas conexões podem ser recusados devido à falta de recursos ou caminhos livres. 5

6 As mensagens são sempre aceitas em uma rede de comutação de mensagens, o tempo de transferência é que aumenta devido às filas que as mensagens encontrarão em cada nó de comutação da rede. A comutação de mensagens não se aplica em problemas de comunicação em tempo real, justamente em função dos atrasos causados pelas filas. Figura 4: Comutação de Mensagens 3.3 Comutação de pacotes A comutação de pacotes é semelhante a comutação de mensagens. A principal diferença reside no fato de que o tamanho da unidade de dados transmitida na comutação de pacotes é limitado. As mensagens que são enviadas pela rede, devem ser quebradas em pacotes (Packets). Este procedimento é realizado para melhorar o desempenho da comunicação. Estes pacotes são formados por um endereço de origem, um endereço de destino (assim como da comutação de mensagem) e a sequência do pacote na quebra da mensagem total. Esta sequência ou numeração é necessária para que o destinatário possa ordenar os pacotes e montar o quebra-cabeça para em seguida poder interpretar o conteúdo da mensagem. Em geral, os dados são transmitidos em pequenos pacotes de, tipicamente, 1000 bytes. Cada pacote contém uma porção de bits de informação e bits de controle (endereçamento e roteamento). Pacotes são recebidos, armazenados (buffered) e transmitidos para o nó seguinte Store and forward. 6

7 Figura 5: Comutação de Pacotes Quando uma rede de comutação por pacotes não segmenta as mensagens em pacotes pode-se dizer que ela faz comutação por mensagens. Portanto, a comutação de pacotes (Packet switching) é tratada de duas formas: Datagrama pacotes independentes. O roteamento é baseado no endereço destino. A internet é assim; Circuitos virtuais O roteamento é feito pelo circuito virtual que é estabelecido antes de iniciar a troca de mensagens redes ATM, Frame relay e X.25. Após o estabelecimento, cada pacote contém o identificador do circuito virtual, ao invés do endereço da destinatária. Na estratégia datagrama, dois pacotes que possuem o mesmo destino e que sejam provenientes de um mesmo usuário poderão ser encaminhados de forma diferente pela rede, ao passo que, na estratégia circuito virtual, ambos deverão seguir a mesma rota. A estratégia datagrama poderá ocasionar a entrega de pacotes no receptor em uma ordem completamente diferente daquela na qual os pacotes foram gerados pelo transmissor. Na estratégia circuito virtual, isto não ocorre, o que implica em que a rede seja orientada a conexão. Evita-se, assim, que sejam utilizados algoritmos pesados de reordenação dos pacotes no receptor. 7

8 3.4 Comparação entre comutação de pacotes versus comutação de circuitos Redes de comutação de circuitos são mais adequadas nas situações em que, um vez estabelecido um circuito, existe um fluxo contínuo e constante de informação. Nesse caso, os canais reservados são utilizados sem ociosidade apresentando um retardo de transferência constante. Além disso, uma grande vantagem dessas redes é não necessitar de empacotamento de bits para transmissão. O empacotamento introduz um retardo adicional que pode muitas vezes não ser suportado. Nem todos os tráfegos em uma rede são contínuos, com taxas constantes. Vídeo comprimido, texto e gráficos, em geral, geram tráfegos com taxas de bits variáveis. O tráfego em rajadas (bursts caracteriza-se por apresentar períodos de silêncio aleatoriamente distribuídos e de tamanho aleatório durante uma comunicação. A Tabela 6 apresenta uma comparação entre comutação de circuitos e comutação de pacotes. Figura 6: Comutação de Pacotes Comutação de Circuitos A falha em um switch não é fatal em uma rede de pacotes, pois não existe uma rota previamente definida. Os pacotes podem encontrar rotas alternativas e contornar o switch com defeito. Na comutação de circuitos a banda é reservada. Uma vez estabelecido o circuito não há o porquê se falar congestionamento de pacotes, pois os recursos não são compartilhados. O congestionamento pode ocorrer somente na tentativa de estabelecer uma conexão, caso os recursos já estejam sendo usados. 8

9 Na comutação de circuitos não existem atrasos de transmissão (store-and-forward), de fila ou de processamento. O único atraso existente é devido ao tempo gasto para o estabelecimento do circuito e para o sinal se propagar pelo circuito. Transparência significa que transmissor e o receptor podem usar qualquer formato de quadro e/ou taxa de transmissão. Esta transparência não existe na comutação de pacotes. Em uma rede IP, por exemplo, os pacotes gerados pelo transmissor devem seguir o padrão deste protocolo para que o núcleo da rede (roteadores) consiga entregar ao destino. Segundo Tanenbaum (2003) existe um compromisso na escolha entre comutação de circuitos ou de pacotes: O compromisso se dá entre serviço garantido e desperdício de recursos versus serviço não garantido sem desperdício de recursos 9

10 Exercício 1. Da análise da Figura 3, exemplifique uma situação em que a comutação empregando datagrama é mais rápida que comutação por circuitos e comutação por circuitos virtuais. 2. Define-se: N número de nós entre 2 sistemas; L é o comprimento da mensagem em bits; B a taxa de dados em bps; P o tamanho do pacote em bits; H o cabeçalho por pacote; S tempo para estabelecer o circuito em segundos (comutação de circuitos e circuito virtual); D é o tempo de propagação por enlace. Seja N = 4; L = 3200; B = 9600; P = 1024; H = 16; S = 0, 2 e D = 0, 001. Calcule o atraso fim a fim para comutação de circuitos, circuito virtual e datagrama. Ignore o tempo de processamento e tempo para confirmações (acks). 3. Considere o envio de voz do computador A para o computador B por meio de uma rede de comutação de pacotes. O computador A converte simultaneamente a voz analógica em uma cadeia digital de bits de 64Kbps. Ele então agrupa os bits em pacotes de 48 bytes. Há apenas um enlace entre os computadores A e B. Sua taxa de transmissão é de 1Mbps e seu atraso de propagação de segundos. Assim que o computador A recolhe um pacote ele o envia ao computador B. Assim que o computador B recebe um pacote completo, ele converte imediatamente os bits do pacote em sinal analógico. Quanto tempo decorre entre o momento em que 1 bit é criado e o momento que ele é decodificado? 10