Prof. Claudio Benossi Aula 06. Aula passada Camadas de protocolos ◦ Modelo de referência OSI ...
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TelecomunicaçõesCamadas de Protocolos e Atrasos
Prof. Claudio BenossiAula 06
Aula passada
Camadas de protocolos◦ Modelo de referência OSI
Atrasos
Exercícios
Sumário
Conjunto de regras que determinam como deve ocorrer a comunicação entre duas estações em uma rede◦ Mensagens específicas são enviadas◦ Ações específicas são tomadas
Protocolos
Em redes de computadores
Protocolos
Pedido de conexão
Resposta positiva
GET: http://www.inf.unisinos.br
<arquivo>tempo
Protocolos definem formato, ordem de
mensagens enviadas e recebidas entre
entidades de rede e ações tomadas ao
enviar ou receber uma mensagem.
Redes de computadores modernas◦ organizadas de uma forma estruturada◦ componentes hierarquizados em camadas
Por quê?◦ isolar as camadas superiores dos detalhes de
implementação dos níveis inferiores◦ possibilitar a substituição da implementação de
uma camada por outra
Protocolos Hierárquicos
Redes são complexas!◦ Muitos componentes
Hosts Roteadores Enlaces Aplicações Protocolos Hardware, Software…
Camadas de Protocolos
Pergunta:
Como organizar melhor a estrutura da rede?
Divisão em camadas
Modelo de Camadas
• Por que usar camadas?• Ao lidar com sistemas complexos:
– Estrutura explícita permite identificação de relações entre componentes do sistema complexo.
• Modelo de referência para discussão.– Modularização facilita implementação, atualização do
sistema• Mudanças de implementação do serviço da camada é
transparente ao resto do sistema• Exemplo: mudança no procedimento do portão não afeta o
resto do sistema
Modelo de Referência OSI◦ Conjunto de diretrizes para
permitir interconexão de redes heterogêneas
◦ Define sete camadas cada um com um conjunto de funções específicas
Modelo de CamadasAplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
Modelo de Referência OSI
Protocolo de transporte
Máquina A
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Físico
Aplicação
Apresentação
SPDU
TPDU
pacote
quadro
bit
Máquina B
APDU
PPDU
Protocolo de sessão
Protocolo de apresentação
Protocolo de aplicação
SUB-REDE DE COMUNICAÇÕES
Roteador Roteador
Nível Físico◦ transmissão de bits através do
canal de comunicação manipulação das características
mecânicas, elétricas, funcionais e procedurais para acessar o meio físico Taxas de transferência Controle de acesso ao meio
Move os bits através do meio de transmissão
Modelo de referência OSIAplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
Nível de Enlace◦ Transmite/recebe conjuntos de bits
chamados quadros (frames)◦ Detecta/corrige erros do meio de
transmissão◦ Implementado parte em software, parte
em firmware (programação permanente da placa de rede)
Modelo de referência OSIAplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
Nível de Rede◦ Permite que os dados sejam
enviados em pacotes a máquinas em outras redes que não a local Roteamento Localização dos computadores na
Internet◦ Rota do pacote
Modelo de referência OSIAplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
Nível de Transporte◦ provê comunicação transparente e
confiável entre pontos finais◦ Provê ordenação
Modelo de referência OSIAplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
Nível de Sessão◦ Noção de “período de utilização”
Tempo durante o qual um usuário interage com o sistema
Ex.: Autenticação no site do banco é válida por alguns minutos
Modelo de referência OSIAplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
Nível de Apresentação◦ provê independência para as aplicações
em relação às diferentes formas de representação dos dados Converte dados para um formato conhecido
pelo protocolo Compressão de dados e criptografia
Nível de Aplicação◦ transferência de arquivos, e-mail◦ terminal virtual◦ serviço de diretórios
Modelo de referência OSIAplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
Modelo de Referência OSI◦ Não obteve êxito comercial◦ Modelo Internet cresceu mais
rapidamente◦ Modelo OSI muito complexo
Primeiras versões demoraram a ser lançadas e não tinham bom desempenho
◦ Modelo Internet mais simples e eficiente
Modelo de referência OSIAplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
Nem sempre precisamos usar todas as camadas
O software de rede não deve exigir isso!◦ Ex.: FTP não usa criptografia, Email não usa a
noção de sessão É possível, portanto, fazer um programa
que usa diretamente a camada de rede, por exemplo
Modelo de referência OSI
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
◦ Enlace: transferência de dados entre elementos de rede vizinhos PPP, ethernet
◦ Física: bits “nos fios”
Modelo de Camadas
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
Comunicação vertical◦ Cada nível comunica-se apenas com
camadas adjacentes◦ Dentro do mesmo dispositivo
Comunicação horizontal◦ Camadas adicionam informações de
controle no cabeçalho da mensagem (overhead)
◦ No destino, cada camada processa o cabeçalho referente a sua camada no host de origem
Modelo de Camadas
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
Camadas: comunicação lógica
AplicaçãoTransporte
RedeEnlaceFísica
AplicaçãoTransporte
RedeEnlaceFísica
AplicaçãoTransporte
RedeEnlaceFísica
AplicaçãoTransporte
RedeEnlaceFísica
RedeEnlaceFísica
• Cada camada:– Distribuída– “Entidades”
implementam funções da camada em cada nó
– Entidades realizam ações, trocas de mensagens com pares
Camadas: comunicação lógica• Ex.: transporte
– Obtém dado da aplicação
– Inclui informação para confiabilidade
– Envia datagrama ao par
– Espera receber “ack” (confirmação) do par
AplicaçãoTransporte
RedeEnlaceFísica
AplicaçãoTransporte
RedeEnlaceFísica
AplicaçãoTransporte
RedeEnlaceFísica
AplicaçãoTransporte
RedeEnlaceFísica
RedeEnlaceFísica
dados
dados
dadosack
Camadas: comunicação física
AplicaçãoTransporte
RedeEnlaceFísica
AplicaçãoTransporte
RedeEnlaceFísica
AplicaçãoTransporte
RedeEnlaceFísica
AplicaçãoTransporte
RedeEnlaceFísica
RedeEnlaceFísica
dados
dados
Cada camada recebe dados da camada superior Acrescenta um cabeçalho com informação para criar nova
unidade de dados Passa nova unidade de dados para camada inferior
Camadas e protocolos de dados
AplicaçãoTransporte
RedeEnlaceFísica
AplicaçãoTransporte
RedeEnlaceFísica
Origem Destino
Mensagem
HtHnHl M
HtHn M
Ht M
M
HtHnHl M
HtHn M
Ht M
M
Segmento
Datagrama
Quadro
Atrasos
Visão geral de uma rede
dado
Canal de comunicação
interface interface
Transmissor ou origem
Receptor ou destino
Enquanto um pacote viaja de um nó (seja um host ou roteador) até o nó subseqüente, o pacote sofre diversos tipos diferentes de retardo (ou atraso) em cada nó ao longo do trajeto
Os mais importantes são:◦ Atraso de processamento nodal -> Dpro◦ Atraso de enfileiramento -> Dqueue◦ Atraso de transmissão -> Dtrans◦ Atraso de propagação -> Dprop◦ Atraso nodal total -> Dnodal
Atrasos
A B
Transmissão
EnfileiramentoProcessamento nodal
Propagação
Atraso de Processamento• (Dproc) Atraso de processamento: o tempo necessário para examinar o
cabeçalho do pacote e determinar onde enviar o pacote é parte do atraso de processamento
• O atraso de processamento pode também incluir outros fatores, tais como o tempo necessário para verificar se há erros eventualmente ocorridos ao transmitir os bits do pacote do host ao roteador A
• Os atrasos de processamento em roteadores de alta velocidade estão tipicamente na ordem de microssegundos ou menores. Após este processamento nodal, o roteador envia o pacote à fila que precede a ligação até o roteador B
A B
Transmissão
EnfileiramentoProcessamento nodal
Propagação
Atraso de enfileiramento (ou fila)
A B
Transmissão
EnfileiramentoProcessamento nodal
Propagação
• Uma vez na fila o pacote experimenta um atraso de enfileiramento Dqueue enquanto espera para ser transmitido na ligação.
• O atraso de enfileiramento de um pacote específico dependerá da quantidade de outros pacotes que chegaram anteriormente, que são enfileirados e estão aguardando a transmissão através do enlace.
• Se a fila estiver vazia e nenhum outro pacote estiver sendo transmitido no momento, então o atraso de enfileiramento do pacote é zero.
• Já se o tráfego for pesado e muitos outros pacotes também estiverem esperando para ser transmitidos, o atraso de enfileiramento será longo.
Atraso de Transmissão• O pacote só pode ser transmitido se todos os pacotes que
chegaram antes já tiverem sido transmitidos.• Tendo o comprimento do pacote representado por L bits e
considere a taxa de transmissão do enlace roteador A ao roteador B de R bits/sec
• A taxa R é determinada pela taxa de transmissão do enlace ao roteador B– Ethernet-10Mbps, a taxa é R=10 Mbps– Ethernet-100Mbps, a taxa é R=100 Mbps
• O atraso de transmissão é L/R. Esta é a quantidade de tempo necessário para transmitir todos os bits do pacote para o enlace. Na prática, os atrasos de transmissão estão tipicamente na ordem dos microsegundos ou menos.
R = banda do enlace (bps) L = tamanho do pacote (bits) Tempo para transmitir pacote no enlace = L/R
Atraso de Transmissão
Cuidado para não confundir com
atraso de propagação
A B
Transmissão
EnfileiramentoProcessamento nodal
Propagação
Atraso de Propagação• (Dprop) PROPAGAÇÃO:
– Uma vez que um bit seja empurrado no link, ele necessita propagar para o roteador seguinte (B). O tempo gasto para propagar do começo do link até o router B é o atraso de propagação. Bit propaga na velocidade da propagação do link
– A velocidade de propagação depende do meio físico do link (i.e., fibra, fio de cobre....)
– O atraso da propagação é a distância entre os dois roteadores dividida pela velocidade da propagação no link. Isto é, o atraso da propagação é D/S, onde D está a uma distância entre os roteadores A e B, e S é a velocidade de propagação no link.
– Em redes WAN, os atrasos de propagação estão na ordem de milisegundos.
D = distância do enlace físico S = velocidade de propagação média
(~2x108 m/seg ~velocidade da luz) Atraso de propagação = D/S
Atraso de Propagação
A B
Transmissão
EnfileiramentoProcessamento nodal
Propagação
Atraso de Transmissão x Atraso de Propagação• Importante entender a diferença entre atraso de
propagação e atraso de transmissão. A diferença é sútil, mas importante.– Atraso de transmissão: quantidade de tempo exigida para o
roteador “empurrar” o pacote. É uma função do comprimento do pacote e da taxa de transmissão do link, mas não tem relação com a distância entre dois roteadores.
– Atraso de propagação: tempo que um bit leva para propagar de um roteador ao seguinte. É uma função da distância entre os dois roteadores, mas não tem relação com o comprimento do pacote, nem com a taxa de transmissão da ligação.
Analogia da rodovia• Uma analogia pode esclarecer as noções
do atraso da transmissão e da propagação• Considere uma estrada que tenha uma
cabine de pedágio a cada 100 quilômetros.• Pensar nos segmentos da estrada entre
cabines do pedágio como links, e as cabines do pedágio como routers.
Analogia da rodovia• Suponha que os carros viajam na estrada a uma
taxa (instantânea) de 100Km/h (isto é, propagação).
• Há uma caravana de 10 carros que estão viajando juntos.
• Pensar em cada carro como um bit e o comboio como um pacote.
• Cada cabine de pedágio presta serviços para cada carro em um tempo de 12 segundos (isto é, transmite 5 carros/minuto)
Analogia da rodovia• A caravana, são os únicos carros na
estrada• Sempre que o primeiro carro da
caravana chega em uma cabine de pedágio, espera até os nove outros carros chegarem e se alinharem atrás dele (caravana inteira é “armazenada” na cabine do pedágio antes de começar a ser “enviada”)
Analogia da rodovia• O tempo necessário para a cabine do
pedágio “empurrar” (servir) a caravana inteira na estrada é:[10 carros / (5 carros/minuto)] = 2 minutos.– R = banda do enlace (bps)– L = tamanho do pacote (bits)
Este tempo é análogo ao atraso de transmissão em um roteador
Analogia da rodovia• O tempo para um carro viajar desde a
saída de uma cabine até a próxima é:– 100Km / (100Km/h) = 1hora
Este tempo é análogo ao atraso da propagação.
Atraso Nodal Total• Considerando Dproc, Dqueue, Dtrans, e Dprop denotando
respectivamente o atraso de processamento, atraso de fila, atraso de transmissão e atraso de propagação, o atraso total é dado por:
A contribuição destes componentes do atraso pode variar significativamente
proptransqueueprocnodal ddddd
Descarte de pacote• A capacidade da fila não é infinita, os pacotes se perdem• Um pacote pode chegar e encontrar uma fila cheia.
Sem lugar para armazenar tal pacote, o roteador descartará esse pacote, isto é, o pacote será perdido
• De um ponto de vista da extremidade do sistema, isto parece com um pacote que está sendo transmitido para o núcleo da rede, mas nunca emergindo da rede no destino
• A fração de pacotes perdidos aumenta enquanto a intensidade de tráfego aumenta. Consequentemente, o desempenho em um nó é medido não somente nos termos do atraso, mas também nos termos da probabilidade de perda do pacote
Atraso fim a fim• Até agora foi visto apenas o atraso nodal, istó é, o atraso em um
único roteador.• Deve-se tratar do atraso TOTAL da origem ao destino. Suponha
que há outros (Q-1) routers entre o host origem e o host destino. Suponha que:– A rede não é congestionada, os atrasos de fila são insignificantes– O atraso de processamento em cada roteador e também na origem é
Dproc– A taxa de transmissão de cada roteador e da origem é R bits/seg– O atraso de propagação entre cada nó ou roteadores, e entre o host
origem e o primeiro roteador é Dprop.– Os atrasos nodais se acumulam, resultando em um atraso fim-a-fim:
Dend-end = Q (Dproc + Dtrans + Dprop)
1.) Considere dois hosts A e B, conectados por um único enlace com taxa de R bits por segundo (b/s). Suponha que estes dois hosts estejam separados por d metros, e que a velocidade de propagação neste enlace seja de s metros por segundo. O host A tem que enviar um pacote de L bits ao host B. Pede-se:
a.) Escreva o atraso de propagação dprop em termos de d e s.b.) Determine o tempo de transmissão dtrans, em termos de L e R.c.) Ignorando os atrasos de processamento e de fila, obtenha uma
expressão para o atraso fim-a-fim, justificando-a.d.) Suponha que o host A comece a transmitir o pacote no instante t
= 0. Neste caso, no instante t = dtrans onde estará o último bit do pacote? Justifique.
e.) Suponha que dprop é MAIOR que dtrans. Onde estará o primeiro bit do pacote no instante t = dtrans ?
f.) Suponha dprop seja MENOR do que dtrans. Onde estará o primeiro bit do pacote no instante t = dtrans ?
g.) Suponha que s = 2,5 x 108 m/s, L= 100 bits e R = 28 Kbps. Para qual distância d temos dprop igual a dtrans?
Exercícios
a) dprop = (d / s ) SEGUNDOS
b) dtrans = (L / R ) SEGUNDOS
c) Uma vez que o atraso de fila e o atraso de processamento são nulos, e os hosts estão conectados por um único enlace, o atraso nodal total fim a fim será apenas a soma do atraso de propagação com o atraso de transmissão, portanto temos que Dend-end = [(L/R) + (d/s)] SEGUNDOS
d) O último bit já está no enlace, partindo do host A.
e) O primeiro bit está no enlace, no caminho entre os hosts A e B, mas ainda Não chegou em B.
f) O primeiro bit já chegou no host B.
Respostas
g) d/s = (L/R)
d/2,5x108m/s = (100b/28000b/s)
d = 2,5x108m/s / 280s
d = 250000000m / 280
d = 892857,1429m (aproxim. 893 Km)
Respostas
1.) Considere dois hosts X e Y, conectados por um único enlace com taxa de 50 Mbps. Estes dois hosts estão separados por 300 kilômetros, e a velocidade de propagação neste enlace é de 2,5 x 108 metros por segundo. O host X tem que enviar um pacote de 3 Mbits ao host B. Pede-se:
a) Qual o atraso de propagação?b) Qual o atraso de transmissão?c) Ignorando os atrasos de processamento e de fila, qual é o
atraso fim-a-fim neste caso?d) Que tamanho de pacote seria necessário para que o atraso
de transmissão fosse igual ao atraso de propagação?f ) Para qual distância d temos dprop igual a dtrans?e) Se o enlace fosse substituído por um enlace de 1Gbps,
qual seria o atraso total (desconsiderando fila e processamento)?
Exercícios
Respostas