Antônio Abelém abelem@ufpa · Redes de Computadores e a Internet ... roteador do provedor via...
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1: Introdução 1
Redes de Computadores e a Internet
Antônio Abelé[email protected]
1: Introdução 2
Conteúdo Programático
1. Introdução e Conceitos Básicos
2. Camada de Aplicação
3. Camada de Transporte
4. Camada de Rede
1: Introdução 3
Bibliografia❒ KUROSE & ROSSI. Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the
Internet. 2ª edição. 2002.
❍ Título da tradução: Redes de Computadores e a Internet. Ed. Pearson Brasil. 1ª edição.
2001.
❒ TANENBAUM, A. Computer Network. 4ª edição. Prentice Hall, 2002.
❍ Título da tradução: Redes de Computadores. 3ª edição. PHB, 2000.
❒ COMER, D. Internetworking with TCP/IP. 4ª edição. Prentice Hall, 2001.
❍ Interligação em Rede com TCP/IP. Vol.1. Ed. Campus. 2001.
❒ YEMINI, Y.The Network Book. http://www1.cs.columbia.edu/netbook/
❒ Artigos diversos.
1: Introdução 4
Avaliação
❒ Prova
❒ Trabalho prático
❒ Lista de discussão❒ Página WEB:
❍ http://www.cultura.ufpa.br/abelem/
Suporte da disciplina
1: Introdução 5
O que é a Internet: os componentes
❒ milhões de dispositivosinterligados: hospedeiros, sistemas terminais
❍ PCs, estações, servidores❍ PDAs, telefones,
torradeirasexecutando aplicações de
rede❒ enlaces de comunicação
❍ fibra, cobre, rádio, satélite❒ Roteadores/comutadores:
encaminham blocos de dados pela rede
Provedorlocal
Redecorporativa
Provedorregional
roteador estação
servidor móvel
1: Introdução 6
O que é a Internet: os componentes❒ protocolos: controlam
envio, recepção de mensagens
❍ p.ex., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP
❒ Internet: “rede de redes”❍ aproximadamente hierárquica❍ Internet pública contra
intranet privada❒ Padrões Internet
❍ RFC: Request for comments❍ IETF: Internet Engineering
Task Force
Provedorlocal
Redecorporativa
Provedorregional
roteador estação
servidor móvel
1: Introdução 7
O que é a Internet: os serviços
❒ Infra-estrutura de comunicação possibilitaaplicações distribuídas:
❍ WWW, correio, jogos, comércio eletrônico.
❍ Voz, vídeo.❍ outras?
❒ serviços de comunicaçãooferecidos:
❍ sem conexão❍ orientado a conexão
1: Introdução 8
O que é um protocolo?protocolos humanos:❒ “que horas são?”❒ “queria perguntar...”❒ apresentações
… mensagensespecíficas enviadas
… ações específicastomadas ao recebermensagens, ou em outros eventos
protocolos de rede:❒ máquinas em vez de
gente❒ toda comunicação na
Internet governadapor protocolos
protocolos definem formato, ordem de mensagensenviadas e recebidas
entre entidades de rede, e ações tomadas ao enviarou receber uma mensagem
1: Introdução 9
O que é um protocolo?Um protocolo humano e um protocolo de rede :
P: Outro protocolo humano?
Oi!
Oi!Que horas
são?2:00
TCP pedidode conexão.TCP resposta.
Get http://gaia.cs.umass.edu/index.htm
<arquivo>Tempo
1: Introdução 10
Detalhes sobre a estrutura da rede
❒ Borda da rede:aplicações e hospedeiros
❒ núcleo da rede:❍ roteadores❍ rede de redes
❒ redes de acesso, meios físicos:enlaces de comunicação
1: Introdução 11
A borda da rede:❒ sistemas terminais:
❍ executam aplicações❍ p.ex. WWW, correio❍ na “borda da rede”
❒ modelo cliente/servidor❍ cliente solicita, recebe serviço
do servidor❍ p.ex., cliente WWW (browser)/
servidor; cliente/servidor de correio
❒ modelo entre pares (p2p):❍ interação simétrica❍ p.ex.: teleconferências
1: Introdução 12
Borda da rede: serviço orientado a conexão
Meta: transferência de dados entre sistemas
❒ “handshaking”:preparação para iniciartransferência
❍ protocolo humano: “Oi!”, “Oi!”
❍ criar “estado” em 2 sistemas em comunicação
❒ TCP - Transmission Control Protocol
❍ serviço orientado a conexão da Internet
serviço TCP [RFC 793]❒ transf. dados: fluxo de
bytes ordenado, confiável❍ perdas: reconhecimentos e
retransmissões❒ controle de fluxo:
❍ remetente não vai “afogar”o receptor
❒ controle de congestionamento:
❍ remetentes “reduzem a taxa de envio” quando redecongestionada
1: Introdução 13
Borda da rede: serviço sem conexão
Meta: transferência de dados entre sistemas
❍ mesma que antes!❒ UDP - User Datagram
Protocol [RFC 768]: serviço sem conexão daInternet❍ transf. de dados não
confiável❍ sem controle de fluxo❍ sem controle de
congestionamento
Aplics. usando TCP:❒ HTTP (WWW), FTP
(transf. de arquivo), Telnet (acesso remoto), SMTP (correio)
Aplics. usando UDP:❒ mídia com “streaming”,
teleconferências, telefonia pela Internet
1: Introdução 14
Núcleo da Rede
❒ malha conexa de roteadores
❒ a questão fundamental:como se transfere dados através da rede?❍ comutação de circuitos:
circuito dedicado por chamada: rede de telefonia
❍ comutação de pacotes:dados enviados pelarede em quantiasdiscretas
1: Introdução 15
Núcleo da Rede: comutação de circuitos
Recursos fim a fimreservados para a “chamada”
❒ banda de enlace, capacidade de comutação
❒ recursos dedicados: nãohá compartilhamento
❒ desempenho comocircuitos (garantido)
❒ requer fase inicial(“setup”)
1: Introdução 16
Núcleo da Rede: comutação de circuitos
Recursos de rede (p.ex., banda) retalhado em “pedaços”
❒ pedaços alocados a chamadas
❒ recurso ocioso se nãousado pela chamada (nãohá compartilhamento)
❒ divisão de banda em “pedaços”❍ divisão por frequência❍ divisão por tempo
1: Introdução 17
Núcleo da Rede: comutação de pacotes
Cada fluxo de dados fim a fim dividido em pacotes
❒ pacotes de usuários A, B compartilham recursos
❒ cada pacote usa bandainteira do enlace
❒ recursos usados a demanda
Contenção por recursos:❒ demanda agregada pode
exceder os recursosdisponíveis
❒ congestionamento: filade pacotes, espera parauso do enlace
❒ armazena, reencaminha: pacotes movem um enlace a cada vez❍ transmite pelo enlace❍ aguarda vez p/ o próx.
Retalhamento de bandaAlocação dedicada
Reserva de recursos
1: Introdução 18
Núcleo da rede: comutação de pacotes
Comutação de pacotes X comutação de circuitos:analogia humana de restaurante❒ outras analogias humanas?
A
B
CEthernet 10 Mbps
2 Mbps
34 Mbps
D E
multiplexação estatística
fila de pacotesaguardando enlace
de saída
1: Introdução 19
Comutação de pacotes X comutação de circuitos
❒ enlace de 1 Mbit❒ cada usuário:
❍ 100Kbps quando “ativo”❍ ativo 10% do tempo
❒ comutação de circuitos: ❍ 10 users
❒ comutação de pacotes: ❍ com 35 usuários,
probabilidade > 10 ativosmenor que 0,004
Comutação de pacotes permitir admitir mais usuários!
N usuáriosenlace de 1 Mbps
1: Introdução 20
Comutação de pacotes X comutação de circuitos
❒ Fantástico para dados em rajadas❍ compartilha recursos❍ não requer inicialização (setup)
❒ Congestionamento excessivo: retardo e perdas❍ protocolos necessários para transferência
confiável de dados, controle de congestionamento❒ P: Como prover comportamento de circuitos?
❍ Garantias de banda necessárias para aplicaçõesde áudio/vídeo
é um problema ainda sem solução.
Comutação de pacotes será sempre o melhor?
1: Introdução 21
Redes de pacotes: roteamento
❒ Meta: mover pacotes entre roteadores da origem aodestino
❍ existem diversos algoritmos de seleção de rota (cap. 4)❒ rede de datagramas:
❍ endereço de destino determina próximo passo❍ rotas podem mudar durante uma sessão❍ analogia: dirigindo, perguntando o caminho
❒ rede de circuitos virtuais:❍ cada pacote carrega rótulo (ID de circuito virtual), rótulo
determina próximo passo❍ rota fixa determinada em tempo de estabelecimento da
chamada, permanece fixa durante a chamada❍ roteadores mantêm estado por chamada
1: Introdução 22
Redes de acesso e meios físicos
P: Como ligar sistemasterminais ao 1o roteador?
❒ redes de accessoresidencial
❒ redes de accessoinstitucional (escola, empresa)
❒ redes de accesso móvel
Características principais: ❒ banda (bits per second) da
rede de acesso?❒ compartilhada ou dedicada?
1: Introdução 23
Acesso residencial: acesso ponto a ponto
❒ Discado via modem❍ até 56Kbps, acesso direto ao
roteador (conceitualmente)❒ RDSI: rede digital de serviços
integrados (DVI - Telemar): 128Kbps, conexão digital aoroteador
❒ ADSL: asymmetric digitalsubscriber line❍ até 1 Mbps casa ao roteador❍ até 8 Mbps roteador a casa❍ disponibilidade de ADSL :
Telefônica, Telemar (RJ,MG,BA, PA) 1: Introdução 24
Acesso residencial: cable modems
❒ HFC: hybrid fiber coax❍ assimétrico: até 10Mbps p/ a
casa, 1 Mbps para a rede❒ rede de cabo e fibra liga a
casa ao roteador do provedor
❍ acesso compartilhado aoroteador pelas casas
❍ problemas: dimensionamento, congestionamento
❍ disponibilidade: via cias. de TV a cabo, p.ex., NET, TVA
1: Introdução 25
Acesso institucional: redes locais
❒ rede local (LAN) daempresa/univ. liga sistematerminal ao 1o roteador
❒ Ethernet:❍ cabo compartilhado ou
dedicado usado paraacesso ao roteador
❍ 10 Mbps, 100Mbps, Gigabit Ethernet
❒ disponibilidade:instituições, redes locaisdomésticas em breve
1: Introdução 26
Redes de acesso sem fio
❒ rede de acesso sem fioliga ao roteador
❒ redes locais sem fio:❍ espectro de rádio
substitui cabo❍ p.ex., Wavelan 2, 11 e
54Mbps❍ Wavelan tb usada para
ligações ponto a ponto❒ acesso sem fio não local
❍ CDPD: acesso sem fio aoroteador do provedor via rede de telefonia celular
estaçãobase
sistemasmóveis
roteador
1: Introdução 27
Meios físicos
❒ enlace físico:bit de dados transmitido propagadosatravés do enlace
❒ meio guiado:❍ sinais propagam em meios
sólidos: cobre, fibra❒ meios não guiados:
❍ sinais propagamlivremente, p.ex., rádio
Par trançado (TP)❒ dois fios isolados de
cobre❍ Categoria 3: fio
telefônico tradicional, ethernet de 10 Mbps
❍ Categoria 5: ethernetde 100Mbps
1: Introdução 28
Meios físicos: cabo coaxial, fibra
Cabo coaxial:❒ fio (portador do sinal)
dentro de um fio(blindagem)
❍ banda básica: canal únicono cabo
❍ banda larga: múltiploscanais no cabo
❒ bidirecional❒ uso era comum em
Ethernet de 10Mbps
Cabo de fibra ótica:❒ fibra de vidro iluminada
por pulsos de luz❒ operação de alta
velocidade:❍ Ethernet de 100Mbps ❍ transmissão de alta
velocidade ponto a ponto(p.ex., 10 Gbps)
❒ baixa taxa de erros❒ 2 tipos de fibra:
monomodo, multimodo
1: Introdução 29
Meios físicos: rádio
❒ sinal enviado peloespectroeletromagnético
❒ sem “fio” físico❒ bidirecional❒ efeitos sobre
propagação do ambiente:
❍ reflexão❍ obstrução por objetos❍ interferência
Tipos de enlace de rádio:❒ microondas
❍ p.ex. canais até 155 Mbps❒ rede local (p.ex., waveLAN)
❍ 2Mbps, 11Mbps, 54Mbps❒ longa distância (p.ex., celular)
❍ p.ex. CDPD, 10’s Kbps❒ satélite
❍ canais de até 50Mbps (oumúltiplos canais menores)
❍ retardo ponto a ponto de 270 ms❍ geosíncrono X LEOS (Low Earth
Orbit Satellite)1: Introdução 30
Retardo em redes de pacotesPacotes experimentam
retardo em caminhosfim a fim
❒ quatro causas de retardo a cada enlace
❒ processamento no nó: ❍ verifica erros de bits❍ determina enlace saída
❒ filas❍ tempo gasto aguardando
envio no enlace de saída❍ depende do nível de
congestionamentoA
B
propagação
transmissão
Processamentono nó enfileiramento
1: Introdução 31
Retardo em redes de pacotesRetardo de transmissão:❒ R=banda do enlace (bps)❒ L=tamanho do pacote
(bits)❒ tempo para transmitir
pacote no enlace = L/R
Retardo de propagação:❒ d = comprimento do enlace❒ s = velocidade de
propagação (~2x108 m/sec)❒ retardo propagação = d/s
Note: s e R são quantidadesmuito diferentes!
A
B
propagação
transmissão
Processamentono nó enfileiramento 1: Introdução 32
“Camadas” de ProtocolosRedes são complexas! ❒ Muitos componentes:
❍ hospedeiros❍ roteadores❍ enlaces de
diversos meios❍ aplicações❍ protocolos❍ hardware,
software
Pergunta:Existe alguma esperança
de organizar a estrutura da rede?
Ou, pelo menos, organizarnossa discussão de
redes?
1: Introdução 33
Organização de viagens aéreas
❒ uma série de passos
passagem (compra)
bagagem (entrega)
portão (embarque)
decolagem
roteamento do avião
passagem (reclama)
bagagem (recupera)
portão (desembarque)
aterrissagem
roteamento do aviãoroteamento do avião
1: Introdução 34
Organização de viagens aéreas: outra visão
Camadas: cada camada implementa um serviço❍ através das ações internas da própria camada❍ uso dos serviços providos pela camada inferior
passagem (compra)
bagagem (entrega)
portão (embarque)
decolagem
roteamento do avião
passagem (reclama)
bagagem (recupera)
portão (desembarque)
aterrissagem
roteamento do aviãoroteamento do avião
1: Introdução 35
Viagens aéreas em camadas: serviços
entrega balcão a balcão de passageiros/bagagem
entrega de bagagem do check-in à esteira
entrega pessoas: p. embarque ao p. desembarque
entrega de avião: aeroporto a aeroporto
roteamento do avião da origem ao destino
1: Introdução 36
Implementação distribuída das funcionalidades em camadas
Aer
opor
tode
em
barq
ue
Aer
opor
tode
de
sem
barq
ue
locais intermediários de tráfego aéreo
roteamento do avião
passagem (compra)
bagagem (entrega)
portão (embarque)
decolagem
roteamento do avião
passagem (reclama)
bagagem (recupera)
portão (desembarque)
aterrissagem
roteamento do avião
roteamento do avião
roteamento do avião
1: Introdução 37
Por quê usar camadas?Ao lidar com sistemas complexos:❒ estrutura explícita permite identificação, relações
entre componentes de sistema complexo❍ modelo de referência para discussão
❒ modularização facilita manutenção, atualização do sistema❍ mudanças de implementação do serviço da
camada é transparente ao resto do sistema❍ p.ex., mudança no procedimento do portão não
afeta o resto do sistema
1: Introdução 38
Por quê usar camadas?
❒ Princípio do “Dividir para Conquistar”❒ modularização facilita manutenção,
atualização do sistema❒ Projetar uma rede como um conjunto
hierárquico de camadas❍ Cada nível utiliza os serviços oferecidos
pelo nível imediatamente inferior para implementar e oferecer os seus serviços ao nível imediatamente superior
❍ O projeto de um nível está restrito a um contexto específico e supõe que os problemas fora deste contexto jáestejam devidamente resolvidos
Camada 1Camada 1
Camada 2Camada 2
Camada 3Camada 3
......
Camada nCamada n
1: Introdução 39
Níveis, Protocolos e InterfacesSistema
ASistema
B
Interface 1/2
Interface 2/3
Interface 3/4
Nível 1 Nível 1Interface 1/2
Interface 2/3
Interface 3/4Protocolo de Nível 3
Protocolo de Nível 2
Protocolo de Nível 1
Nível 2 Nível 2
Nível 3 Nível 3
Nível 4 Nível 4Protocolo de Nível 4
Interface n-1/nProtocolo de Nível n-1Nível n-1 Nível n-1
Nível n Nível nProtocolo de Nível n
Interface n-1/n
... ...
1: Introdução 40
Arquiteturas de Comunicação
❒ Modelo de Referência OSI❍ Modelo de referência para interconexão de
sistemas abertos
❒ Arquitetura IEEE 802❍ Conjunto de Padrões para Redes Locais
❒ Arquitetura TCP/IP (Internet)❍ Arquitetura baseada no conceito de interligação
de redes❍ Padrão de fato atual
1: Introdução 41
Arquitetura TCP/IP (Internet)
❒ Desenvolvido pelo Departamento de Defesa
Americano (DARPA)
❒ Padrão de fato
❒ Evolução da ARPANET
❒ Começo do projeto no início dos anos 70
❒ Arquitetura baseada no conceito de inter-redes
1: Introdução 42
Camadas da Arquitetura TCP/IP
RedeRede
InterInter--rederede
TransporteTransporte
AplicaAplicaççãoão
Interface de Rede
Intra-Rede ouHardware
1: Introdução 43
Nós na Arquitetura TCP/IP
MensagemMensagemidênticaidêntica
PacotePacoteidênticoidêntico
RoteadorRoteador
RedeRede FFíísicasica 11intraintra--rederede
Inter-rede
Interfacede rede
Interfacede rede
Interfacede rede
Host AHost A
QuadroQuadroidênticoidêntico
DatagramaDatagramaidênticoidêntico
Inter-rede
Transporte
Aplicação
Interface derede
Host BHost B
QuadroQuadroidênticoidêntico
DatagramaDatagramaidênticoidêntico
Inter-rede
Transporte
Aplicação
RedeRede FFíísicasica 22intraintra--rederede
1: Introdução 44
Pilha de protocolos da Internet❒ aplicação: suporta aplicações de
rede❍ ftp, smtp, http
❒ transporte: transferência de dados entre sistemas terminais
❍ tcp, udp❒ rede: roteamento de datagramas da
origem ao destino❍ ip, protocolos de roteamento
❒ enlace: transferência de dados entre elementos de rede vizinhos
❍ ppp, ethernet❒ física: bits “nos fios”
aplicação
transporte
rede
enlace
física
1: Introdução 45
Camadas: comunicação lógica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
redeenlacefísica
Cada camada:❒ distribuída❒ “entidades”
implementamfunções dacamada em cada nó
❒ entidadesrealizam ações, trocammensagens com pares
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica aplicação
transporterede
enlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
1: Introdução 46
Camadas: comunicação lógica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica application
transportnetwork
linkphysical
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
redeenlacefísica
dados
dadosP.ex.: transporte❒ obtém dados da apl.❒ inclui endereços,
info paraconfiabilidade paraformar “datagrama”
❒ envia datagrama aopar
❒ espera receber ack(reconhecimento) do par
❒ analogia: correios
dados
transport
transport
ack
1: Introdução 47
Camadas: comunicação física
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
redeenlacefísica
dados
dados
1: Introdução 48
Camadas de protocolos e dadosCada camada recebe dados da camada superior❒ acrescenta cabeçalho com informação para criar
nova unidade de dados❒ passa nova unidade de dados para camada inferior
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
origem destino
MMMM
Ht
HtHnHtHnHl
MMMM
Ht
HtHnHtHnHl
mensagemsegmento
datagramaquadro