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Redes de Computadores e Internet 1: Introdução 1 transparências baseadas no livro “Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet” James Kurose e Keith Ross http://occawlonline.pearsoned.com/bookbind/pubbooks/kurose-ross1/ Histórico Das Redes De Comunicação • Primeiros computadores: - máquinas complexas, grandes, caras - ficavam em salas isoladas com ar condicionado - operadas apenas por especialistas - programas submetidos em forma de jobs seqüenciais 1: Introdução 2 - programas submetidos em forma de jobs seqüenciais • Anos 60: - primeiras tentativas de interação entre tarefas concorrentes - surge técnica time-sharing, sistemas multiusuários - usuários conectados ao computador por terminais - terminais necessitavam técnicas de comunicação de dados com computador central => inicio das redes Sistemas Multiusuários Terminal 3 Terminal 4 Terminal 1 1: Introdução 3 Terminal 2 Mainframe com time-sharing OS st1 st2 st4 st3 RR Histórico Das Redes De Comunicação • Anos 70: - surgem microprocessadores - computadores muito mais baratos => difusão do uso • Após década de 70: - computadores cada vez mais velozes, tamanho menor, preço mais acessível 1: Introdução 4 - computadores cada vez mais velozes, tamanho menor, preço mais acessível - aplicações interativas cada vez mais freqüentes - necessidade crescente de incremento na capacidade de cálculo e armazenamento - vários computadores conectados podem ter desempenho melhor do que um mainframe, além de custo menor - necessidade de desenvolver técnicas para interconexão de computadores => redes Importância Das Redes De Comunicação - Nas empresas modernas temos grande quantidade de computadores operando em diferente setores. - Operação do conjunto mais eficiente se estes computadores forem interconectados: - possível compartilhar recursos 1: Introdução 5 - possível compartilhar recursos - possível trocar dados entre máquinas de forma simples e confortável para o operador - vantagens gerais de sistemas distribuídos e downsizing atendidas - Redes são muito importantes para a realização da filosofia CIM (Manufatura Integrada por Comput.) Extensão Das Redes De Comunicação LAN (Local Area Network) ou Rede Local Industrial : interconexão de computadores localizados em uma mesma sala ou em um mesmo prédio. Extensão típica: até aprox. 200 m. CAN (Campus Area Network): interconexão de computadores situados em prédios diferentes em um mesmo campus ou unidade fabril. Extensão típica: até aprox. 5 Km. MAN (Metropolitan Area Network): interconexão de computadores em 1: Introdução 6 MAN (Metropolitan Area Network): interconexão de computadores em locais diferentes da mesma cidade. Pode usar rede telefônica pública ou linha dedicada. Extensão típica: até aprox. 50 Km. WAN (Wide Area Network) ou Rede de Longa Distância: interconexão de computadores localizados em diferentes prédios em cidades distantes em qualquer ponto do mundo. Usa rede telefônica, antenas parabólicas, satélites, etc. Extensão >50 Km. Topologia Das Redes De Comunicação - Topologia: definição da maneira como as estações estão associadas - Duas formas básicas: ponto-a-ponto e difusão - Canais ponto-a-ponto: rede composta de diversas linhas de comunicação associadas a um par de estações de cada vez 1: Introdução 7 - Canais ponto-a-ponto: rede composta de diversas linhas de comunicação associadas a um par de estações de cada vez - comunicação entre estações não adjacentes feita por estações intermediárias - política conhecida como “comutação de pacotes” - topologia usada na maioria de redes WAN, MAN, CAN e algumas LAN Topologias De Redes Ponto-a-ponto (a) (b) (c) 1: Introdução 8 (d) (e) (a) estrela; (b) anel; (c) árvore; (d) malha regular; (e) malha irregular. Topologia Das Redes De Comunicação - Canais de difusão: rede composta por uma única linha de comunicação compartilhada por todas as estações - mensagens são difundidas no canal e podem ser lidas por qualquer estação - destinatário identificado por um endereço codificado na mensagem 1: Introdução 9 mensagem - possível enviar mensagens para todas as estações (broadcasting) ou a um conjunto delas (multicasting) usando endereços reservados para estas finalidades - topologia mais comum em LAN mas também possível em WAN - requer mecanismos de arbitragem de acesso para evitar conflitos Topologias De Redes De Difusão satélite 1: Introdução 10 (a) (b) (c) (a) barramento; (b) satélite; (c) anel. Serviços Necessários à Comunicação • CASO 1: Como enviar informações entre um terminal e um computador ? terminal computador central 1: Introdução 11 computador ? • Enviar unidades binárias (BInary uniT = BIT) em série ou paralelo • Codificação dos BITs (representação para 0 e 1 e duração de cada bit) • Codificação dos caracteres (ex.: ASCII, EBCDIC) • Sincronização entre emissor e receptor • Tratamento de erros de transmissão • Controle de fluxo • Estabelecer regras de troca de dados (protocolo) Serviços Necessários à Comunicação terminais computador central 1: Introdução 12 • Múltiplos terminais • Surge necessidade de endereçamento Parte I: Introdução Visão geral: • o que é Internet • o que é um protocolo? • borda da rede • núcleo da rede • rede de acesso, meio físico 1: Introdução 13 • rede de acesso, meio físico • desempenho: perdas, atrasos • camadas de protocolo, modelos de serviço • backbones, NAPs, ISPs • histórico O que é Internet: visão “componentes” • milhões de dispositivos computacionais conectados: hosts, sistemas finais o workstations, servidores o telefones PDAs, torradeiras executando aplicações de ISP local roteador estação trabalho servidor móvel 1: Introdução 14 executando aplicações de rede • links de comunicação o fibra, cobre, rádio, satélite • roteadores: passam adiante (forward) pacotes de dados através da rede rede corporativa ISP regional O que é Internet: visão “componentes” • protocolos: envio e recepção de msgs o e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP • Internet: “rede de redes” o aproximadamente hierárquica local ISP router workstation server mobile 1: Introdução 15 • Padrões Internet o RFC: Request for comments o IETF: Internet Engineering Task Force company network regional ISP O que é Internet: visão “de serviços” • infraestrutura de comunicação possibilita aplicações distribuídas: o WWW, email, jogos, e- commerce, database, votações, compartilhamento de arquivos (MP3) serviços de comunicação 1: Introdução 16 de arquivos (MP3) • serviços de comunicação fornecidos: o sem conexão o orientada a conexão O que é protocolo? protocolos humanos: • “que horas são?” • “Eu tenho uma questão” … msgs específicas protocolos de rede: • máquinas em vez de humanos • toda atividade de comunicação na Internet governada 1: Introdução 17 … msgs específicas enviadas … ações específicas tomadas quando msgs recebidas, ou outros eventos Internet governada por protocolos protocolos definem formatos, ordens de mensagens enviadas e recebidas entre entidades de rede, e ações tomadas O que é protocolo? um protocolo humano e um protocolo computacional de rede: Oi Oi requisição conexão TCP conexão TCP 1: Introdução 18 Q: Outro protocolo humano? Oi Tem horas? 2:00 conexão TCP resposta. Get http://gaia.cs.umass.edu/index.htm <arq> tempo Estrutura de rede: • borda da rede: aplicações e hosts • núcleo da rede: o roteadores o rede de redes 1: Introdução 19o rede de redes • redes de acesso, meios físicos: links de comunicação A borda da rede: • sistemas finais (hosts): o executam programas de aplicação o e.g., WWW, e-mail o situam-se na “borda da rede” • modelo cliente/servidor 1: Introdução 20 • modelo cliente/servidor o cliente host faz requisições, recebem serviços do servidor o e.g., WWW cliente (navegador)/ servidor; e-mail cliente/servidor • modelo par-a-par: o interação simétrica entre hosts o e.g.: Gnutella, KaZaA Borda da rede: serviço orientado a conexão Objetivo: transferência de dados entre sistemas. • handshaking: setup (prepara para) transferência de dados o Alô, alô protocolo humano serviço TCP [RFC 793] • confiável, transferência de dados ordenada byte-stream o perdas: acknowledgements (reconhecimentos) e retransmissões 1: Introdução 21 o Alô, alô protocolo humano de telefone o setup “estado” em dois hosts se comunicando • TCP - Transmission Control Protocol o Serviço orientado a conexões da Internet retransmissões • controle de fluxo: o emissor não pode “oprimir”o receptor • controle de congestão o emissores “reduzem a taxa de envio” qdo a rede está congestionada Borda da rede: serviço sem conexão Objetivo: transferência de dados entre sistemas finais o mesmo que o anterior! • UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: serviço sem conexão da Internet Aplics usando TCP: • HTTP (WWW), FTP (transf. arq.), Telnet (login remoto), SMTP (email) Aplics usando UDP: 1: Introdução 22 sem conexão da Internet o transferência de dados não-confiável o sem controle de fluxo o sem controle de congestão Aplics usando UDP: • streaming media, teleconferencing, Internet telephony O núcleo da rede • malha de roteadores interconectados • questão fundamental: como os dados são transferidos através da rede? o chaveamento (comutação) 1: Introdução 23 o chaveamento (comutação) de circuitos: circuito dedicado por chamada: rede telefônica o chaveamento de pacotes: dados enviados através da rede em “pedaços” Núcleo da rede: comutação de circuitos Recursos fim a fim reservados por chamada • largura de banda no enlace (link), 1: Introdução 24 enlace (link), capacidade no switch • recursos dedicados: sem compartilhamento • desempenho garantido • requer setup na chamada Núcleo da rede: chaveamento de circuitos recursos de rede (e.g., largura de banda) dividida em “pedaços” • pedaços alocados para • dividindo largura de banda: o divisão de freqüências o divisão de tempos 1: Introdução 25 • pedaços alocados para chamadas • pedaço do recurso idle (disponível) se não usado pelo próprio chamador (sem compartilhamento) o divisão de tempos Chaveamento de circuitos: FDMA e TDMA FDMA freqüência 4 usuários Exemplo: 1: Introdução 26 tempo TDMA freqüência tempo Núcleo da rede: chaveamento de pacotes cada stream de dados fim-a-fim dividido em pacotes • pacotes de usuários A, B compartilham recursos de redes • cada pacote usa toda largura de banda do link recursos usados quando competição por recurso: • demanda por recurso agregada pode exceder a capacidade disponível • congestionamento: fila de pacotes, espera pelo uso do link 1: Introdução 27 • recursos usados quando necessário link • armazena e repassa: pacotes se movem um hop vez o transmitidos sobre link o espera a vez no próximo link Divisão de largura de banda Alocação dedicada Reserva de recursos Núcleo da rede: chaveamento de pacotes A B C 10 Mbs Ethernet 1.5 Mbs 45 Mbs multiplexação estatística fila de pacotes esperando pelo link de saída 1: Introdução 28 Chaveamento de pacotes versus chaveamento de circuito: analogia com restaurante D E esperando pelo link de saída Núcleo da rede: chaveamento de pacotes Chaveamento de pacotes: comportamento armazena e repassa • quebra mensagens em pequenos pedaços: “pacotes” 1: Introdução 29 “pacotes” • Armazena-e-repassa: switch aguarda até pedaço chegar completamente, então repassa/roteia Chaveamento de pacotes vs de circuitos • 1 Mbit link • cada usuário: o 100Kbps qdo “ativo” o ativo 10% do tempo Chaveamento de pacotes permite mais usuários usarem a rede! 1: Introdução 30 ativo 10% do tempo • chaveamento de circuito: o 10 usuários • chaveamento de pacotes: o com 35 usuários, probabilidade > 10 ativos menos que .0004 N usuários 1 Mbps link Chaveamento de pacotes vs de circuitos • Excelente para dados em rajadas o compartilhamento de recursos o sem setup na chamada • Qdo congestionamento excessivo: atrasos e perdas Será chaveamento de pacotes o “grande vencedor da disputa?” 1: Introdução 31 • Qdo congestionamento excessivo: atrasos e perdas de pacotes o protocolos necessários para transferência de dados confiável, controle de congestão • Q: Como fornecer comportamento ”de circuito”? o aplics de áudio/vídeo necessitam de garantias de largura de banda o esse ainda é um problema não resolvido! Redes chaveamento de pacotes: roteamento • Objetivo: mover pacotes entre roteadores da origem para destino o iremos estudar algoritmos de roteamento • rede datagrama: o endereço de destino determina próximo hop o rota pode mudar durante sessão 1: Introdução 32 o rota pode mudar durante sessão o analogia: dirigir perguntando direção • rede de circuito virtual: o cada pacote carrega um tag (virtual circuit ID), que determina o próximo hop o caminho fixo determinado em tempo de setup de chamada, permanece fixo durante chamada o roteadores mantêm estado por chamada Redes de acesso e meios físicos Q: Como conectar sistemas finais aos roteadores de borda? • redes de acesso residencial • redes de acesso institucional (escola, companhia) • redes de acesso móveis 1: Introdução 33 redes de acesso móveis Tenha em mente: • bandwidth (bits por segundo) da rede de acesso? • compartilhados ou dedicados? Acesso residencial: acesso ponto a ponto • Discagem via modem o até 56Kbps acesso direto ao roteador (conceitualmente) • ISDN: integrated services digital network: 128Kbps conectados ao roteador 1: Introdução 34 conectados ao roteador • ADSL: asymmetric digital subscriber line o até 1 Mbps casa-roteador o até 8 Mbps roteador-casa o ADSL ainda em desenvolvimento Acesso residencial: modens a cabo • HFC: hybrid fiber coax o assimétrico: até 10Mbps downstream, 1 Mbps upstream • rede de cabo e fibra interliga casas ao roteador ISP 1: Introdução 35 roteador ISP o acesso compartilhado ao roteador o questões: congestionamento, dimensionamento • disponíveis através de companhias de cabo Acesso institucional: redes locais • local area network (LAN) conectam sistemas finais a roteador de borda • Ethernet: o cabo compartilhado ou dedicado conecta 1: Introdução 36 dedicado conecta sistema final e roteador o 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet Redes de acesso sem fio • rede de acesso sem fio e compartilhada conecta sistema final ao roteador • wireless LANs: o espectro de rádio substitui fio estação base roteador 1: Introdução 37 o espectro de rádio substitui fio o e.g., Lucent Wavelan 11 Mbps • wider-area wireless access o CDPD: acesso sem fio ao roteador ISP via rede celular base hosts móveis Meio físico • link físico: o bit de dado transmitido propaga através de um link • meio guiado: Par trançado (TP) • dois fios de cobres o Categoria3: fio de telefone tradicional, 10 Mbps Ethernet o Categoria 5 TP: 1: Introdução 38 meio guiado: o sinais propagam em meio sólido: cobre, fibra • meio não guiado: o sinais propagam livremente, e.g., rádio o Categoria 5 TP: 100Mbps Ethernet Meio físico: coaxial, fibra Cabo coaxial: • fio (condutor de sinal) dentro de fio (protetor) o baseband: canal único no cabo o broadband: múltiplos canais no cabo Cabo de fibra ótica: • fibra de vidro conduzindo pulsos de luz • operação em alta-velocidade: o Ethernet 100Mbps o transmissão ponto-a-ponto 1: Introdução 39 o broadband: múltiplos canais no cabo • bidirecional • uso comum em Ethernet 10Mbs o transmissão ponto-a-ponto de alta-velocidade (e.g., 5 Gps) • baixa taxa de erros Meio físico: rádio • sinal conduzido no espectro eletromagnético • sem “fio” físico • bidirecional efeitos de propagação Tipos de link de Rádio: • microondas o e.g. canais até 45 Mbps • LAN (e.g., WaveLAN) o 2Mbps, 11Mbps • wide-area (e.g., celular) 1: Introdução 40 • efeitos de propagação do ambiente: o reflexão o obstrução por objetos o interferência • wide-area (e.g., celular) o e.g. CDPD, 10’s Kbps • satélite o canal até 50Mbps (ou vários canais menores) o atraso fim-a-fim 270 Msec Atrasos em redes de chav. de pacotes pacotes experimentam atrasos no caminho fim-a-fim • quatro fontes de atraso em cada hop • processamento no nó: o checagem de bits de erros o escolha do link de saída • enfileiramento o tempo de espera no link de saída para transmissão o depende do nível de 1: Introdução 41 o depende do nível de congestionamento do roteador A B propagação transmissão processamento no nó enfileiramento Atrasos em redes de chav. de pacotes Atraso de transmissão: • R=link bandwidth (bps) • L=tam. pacote (bits) • tempo de envio de bits no link = L/R Atraso de propagação: • d = tamanho do link físico • s = veloc. propagação no meio (~2x108 m/sec) • atraso propagação = d/s 1: Introdução 42 A B propagação transmissão processamento no nó enfileiramento Obs: s e R são quantidades muito diferentes! Atraso na fila (revisitado) • R=link bandwidth (bps) • L=tam. pacote (bits) • a=taxa média de chegada de pacotes 1: Introdução 43 intensidade de tráfego = La/R • La/R ~ 0: pequeno atraso médio na fila • La/R -> 1: atrasos se tornam grandes • La/R > 1: mais “trabalho” chegando do que pode ser servido, atraso médio infinito! “Camadas” de protocolos Redes são complexas! • muitas “peças”: o hosts o roteadores o vários tipos de links Questão: Existe alguma esperança em organizar a estrutura de rede? 1: Introdução 44 o vários tipos de links o aplicações o protocolos o hardware, software rede? Ou pelo menos a discussão sobre redes? Por que usar camadas? Para lidar com sistemas complexos: • estrutura explícita permite identificar o relacionamento entre peças do sistema complexo o modelo de referência em camadas facilita discussão • modularização facilita manutenção e atualização do sistema 1: Introdução 45 modularização facilita manutenção e atualização do sistema o mudança na implementação de serviços de camadas transparentes para o resto do sistema • uso de camadas pode ser prejudicial? Pilha de protocolos da Internet • aplicação: suporta aplicações de rede o ftp, smtp, http • transporte: transferência de dados entre hosts o tcp, udp • rede: roteamento de datagramas da origem aplicação transporte rede 1: Introdução 46 • rede: roteamento de datagramas da origem para destino o ip, protocolos de roteamento • enlace: transferência de dados entre elementos de rede “vizinhos” o ppp, ethernet • física: bits “no fio” rede enlace física Camadas: comunicação lógica aplicação transporte rede enlace física aplicação transporte rede enlace física Cada camada: • distribuída • “entidades” implementam funções de camadas em 1: Introdução 47 aplicação transporte rede enlace física aplicação transporte rede enlace física aplicação transporte rede enlace física enlace física camadas em cada nó • entidades executam ações, trocam mensagens com seus pares Camadas: comunicação logica aplicação transport rede enlace física aplicação transporte rede enlace física dados E.g.: transporte • pega dados da aplic. • adiciona endereço, informação de confiabilidade p/ formar transporte ack 1: Introdução 48 aplicação transporte rede enlace física aplicação transporte rede enlace física aplicação transport rede enlace física enlace física dados formar “datagrama” • envia datagrama para seu par • espera confirmação de recepção de seu par • analogia: correio dados transporte Camadas: comunicação física aplicação transporte rede enlace física aplicação rede enlace dados 1: Introdução 49 aplicação transporte rede enlace física aplicação transporte rede enlace física aplicação transporte rede enlace física enlace física dados Protocolo em camadas e dados Cada camada recebe dados da camada acima • adiciona cabeçalho de informação para criar nova unidade de dados • passa nova unidade de dados para camada abaixo origem destino 1: Introdução 50 aplicação transporte rede enlace física aplicação transporte rede enlace física origem destino M M M M Ht HtHn HtHnHl M M M M Ht HtHn HtHnHl mensagem segmento datagrama frame Aspectos Arquiteturais • Estruturação em camadas: modelo baseado em hierarquização e descentralização Sistema A Camada 7 Camada 6 Camada 5 Sistema B Camada 7 Camada 6 Camada 5 Protocolo da camada 5 Protocolo da camada 6 Protocolo da camada 7 Interface camadas 5/6 Interface camadas 6/7 Interface Interface camadas 5/6 Interface camadas 6/7 1: Introdução 51 5 Camada 4 Camada 3 Camada 2 Camada 1 Meio de Transmissão 5 Camada 4 Camada 3 Camada 2 Camada 1 Protocolo da camada 1 Protocolo da camada 2 Protocolo da camada 3 Protocolo da camada 4 Interface camadas 3/4 Interface camadas 4/5 Interface camadas 1/2 Interface camadas 2/3 Interface camadas 3/4 Interface camadas 4/5 Interface camadas 1/2 Interface camadas 2/3 Aspectos Arquiteturais • Estruturação em camadas: processo de comunicação m M m M protocolo da camada 6 protocolo da camada 7 interface 6/7 interface 5/6 interface 6/7 interface 5/6 TRANSMISSÃO RECEPÇÃO 1: Introdução 52 M M1 M protocolo da camada 2 protocolo da camada 3 protocolo da camada 4 protocolo da camada 5 5/6 5/6 SISTEMA FONTE SISTEMA DESTINO H4 M2H4 M2H4H3H4H3 M1 H4H3 M1H2 T2 H4H3 M2H2 T2H4H3 M1H2 T2 H4H3 M2H2 T2 M2H4H3H4H3 M1 M1H4 M2H4 Arquitetura a Sete Camadas Do RM-OSI Aplicação Apresentação Sessão Transporte Protocolo de Transporte Protocolo de Sessão Protocolo de Apresentação Protocolo de Aplicação Aplicação Apresentação Sessão Transporte 7 6 5 4 APDU PPDU SPDU TPDU 1: Introdução 53 Rede Enlace de Dados Física Enlace de Dados Rede Física Enlace de DadosRede Física Enlace de Dados Rede Física protocolos internos da sub-rede SUB-REDE IMP IMP 4 3 2 1 PACOTE QUADRO BIT IMP - Interface Message Processor SISTEMA A SISTEMA B Ilustração Da Comunicação No Modelo OSI Apresentação Sessão Apresentação Sessão protocolo de aplicação protocolo de apresentação protocolo de sessão DADOS processo receptor Aplicação processo emissor DADOS AH DADOS PH DADOS SH Aplicação 1: Introdução 54 Transporte Rede Enlace Física Transporte Rede Enlace Física protocolo de transporte protocolo de rede meio de transmissão de dados DADOS TH DADOS NH DADOS DH BITS Estrutura da Internet: rede de redes • mais ou menos hierárquica • national/international backbone providers (NBPs) o e.g. Embratel, BBN/GTE, Sprint, AT&T, IBM, UUNet o interconecta cada par com outro privativamente, ou em um NBP B regional ISP local ISP 1: Introdução 55 outro privativamente, ou em um Network Access Point (NAP) público • ISPs regionais o conecta em NBPs (ex. Telesc) • ISP local, companhia o conecta em ISP regional (ex. UOL, UFSC) NBP A NBP B NAP NAP regional ISP local ISP Histórico da Internet • 1983: TCP/IP • 1983: DNS (tradução nome-endereçoIP) • 1985: protocolo ftp • 1988: controle de 1961-1972: Primeiros princípios de chaveamento de pacotes 1980-1990: Novos protocolos, proliferação de redes 1: Introdução 56 • 1988: controle de congestão TCP 1990’s: comercialização, o WWW o 1994: Mosaic, depois Netscape o final de 1990: comercialização do WWW Final de 1990: • 50 milhões computadores na Internet • 100 milhões+ usuários • links no backbone executando a 1 Gbps
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