Redes de Computadores e Internet -...

1: Introdução 1

Redes de Computadores e Internet

transparências baseadas no livro“Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet”

James Kurose e Keith Rosshttp://occawlonline.pearsoned.com/bookbind/pubbooks/kurose-ross1/

1: Introdução 2

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

• 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 dadoscom computador central => inicio das redes

1: Introdução 3

Sistemas Multiusuários

Terminal 2

Terminal 3

Terminal 4

Terminal 1

Mainframe com time-sharing OS

st1

st2

st4

st3

RR

1: Introdução 4

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- 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

1: Introdução 5

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- 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.)

1: Introdução 6

Extensão Das Redes De ComunicaçãoLAN (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 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: interconexãode computadores localizados em diferentes prédios em cidades distantes em qualquer ponto do mundo. Usa rede telefônica, antenas parabólicas, satélites, etc. Extensão >50 Km.

1: Introdução 7

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- 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

1: Introdução 8

Topologias De Redes Ponto-a-ponto

(a) (b) (c)

(d) (e)

(a) estrela; (b) anel; (c) árvore; (d) malha regular;

(e) malha irregular.

1: Introdução 9

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- 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 emWAN

- requer mecanismos de arbitragem de acesso para evitar conflitos

1: Introdução 10

Topologias De Redes De Difusão

satélite

(a) (b) (c)

(a) barramento; (b) satélite; (c) anel.

1: Introdução 11

Serviços Necessários à Comunicação

• CASO 1: Como enviar informações entre um terminal e um 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)

terminal

computador central

1: Introdução 12

Serviços Necessários à Comunicação

• Múltiplos terminais• Surge necessidade de endereçamento

terminais

computador central

1: Introdução 13

Parte I: IntroduçãoVisão geral:• o que é Internet• o que é um protocolo?• borda da rede• núcleo da rede• rede de acesso, meio físico• desempenho: perdas, atrasos• camadas de protocolo, modelos

de serviço• backbones, NAPs, ISPs• histórico

1: Introdução 14

O que é Internet: visão “componentes”

• milhões de dispositivos computacionais conectados: hosts, sistemas finais

o workstations, servidoreso telefones PDAs, torradeirasexecutando aplicações de

rede• links de comunicação

o fibra, cobre, rádio, satélite• roteadores: passam adiante

(forward) pacotes de dados através da rede

ISP local

redecorporativa

ISP regional

roteador estação trabalhoservidor

móvel

1: Introdução 15

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

• Padrões Interneto RFC: Request for commentso IETF: Internet Engineering

Task Force

local ISP

companynetwork

regional ISP

router workstationserver

mobile

1: Introdução 16

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 fornecidos:

o sem conexãoo orientada a conexão

1: Introdução 17

O que é protocolo?protocolos humanos:• “que horas são?”• “Eu tenho uma

questão”

… msgs específicas enviadas

… ações específicas tomadas quando msgsrecebidas, ou outros eventos

protocolos de rede:• máquinas em vez de

humanos• toda atividade de

comunicação na Internet governada por protocolos

protocolos definem formatos, ordens de mensagens enviadas e

recebidas entre entidades de rede, e ações tomadas

1: Introdução 18

O que é protocolo?um protocolo humano e um protocolo computacional de rede:

Q: Outro protocolo humano?

Oi

Oi

Tem horas?

2:00

requisiçãoconexão TCP

conexão TCPresposta.

Get http://gaia.cs.umass.edu/index.htm

<arq>tempo

1: Introdução 19

Estrutura de rede:

• borda da rede: aplicações e hosts

• núcleo da rede:o roteadoreso rede de redes

• redes de acesso, meios físicos: links de comunicação

1: Introdução 20

A borda da rede:• sistemas finais (hosts):

o executam programas deaplicação

o e.g., WWW, e-mailo situam-se na “borda da rede”

• modelo cliente/servidoro cliente host faz requisições,

recebem serviços do servidoro e.g., WWW cliente (navegador)/

servidor; e-mail cliente/servidor

• modelo par-a-par:o interação simétrica entre hostso e.g.: Gnutella, KaZaA

1: Introdução 21

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 de telefone

o setup “estado” em dois hosts se comunicando

• TCP - Transmission Control Protocol

o Serviço orientado a conexões da Internet

serviço TCP [RFC 793]• confiável, transferência de

dados ordenada byte-streamo perdas: acknowledgements

(reconhecimentos) e 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

1: Introdução 22

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

o transferência de dados não-confiável

o sem controle de fluxoo sem controle de

congestão

Aplics usando TCP:• HTTP (WWW), FTP (transf.

arq.), Telnet (login remoto), SMTP (email)

Aplics usando UDP:• streaming media,

teleconferencing, Internet telephony

1: Introdução 23

O núcleo da rede

• malha de roteadores interconectados

• questão fundamental: como os dados são transferidos através da rede?

o comutação (chaveamento) de circuitos: circuito dedicado por chamada: rede telefônica

o comutação de pacotes:dados enviados através da rede em “pedaços”

1: Introdução 24

Núcleo da rede: comutação de circuitos

Recursos fim a fim reservados por chamada

• largura de banda no enlace (link), capacidade no switch

• recursos dedicados: sem compartilhamento

• desempenho garantido• requer setup na

chamada

1: Introdução 25

Núcleo da rede: comutação de circuitos

recursos de rede (e.g., largura de banda) dividida em “pedaços”

• pedaços alocados para chamadas

• pedaço do recurso idle(disponível) se não usado pelo próprio chamador(sem compartilhamento)

• dividindo largura debanda:o divisão de

freqüênciaso divisão de tempos

1: Introdução 26

Comutação de circuitos: FDMA e TDMA

FDMA

freqüência

tempoTDMA

freqüência

tempo

4 usuáriosExemplo:

1: Introdução 27

Núcleo da rede: comutação de pacotescada 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

necessário

competição por recurso:• demanda por recurso

agregada pode exceder a capacidade disponível

• congestionamento: fila de pacotes, espera pelo uso do link

• armazena e repassa: pacotes se movem um hopvez

o transmitidos sobre linko espera a vez no próximo

linkDivisão de largura de banda

Alocação dedicadaReserva de recursos

1: Introdução 28

Núcleo da rede: comutação de pacotes

comutação de pacotes versus comutação de circuito: analogia com restaurante

A

B

C10 MbsEthernet

1.5 Mbs

45 Mbs

D E

multiplexação estatística

fila de pacotesesperando pelo link de saída

1: Introdução 29

Núcleo da rede: comutação de pacotes

comutação de pacotes: comportamento armazena e repassa

• quebra mensagens em pequenos pedaços: “pacotes”

• Armazena-e-repassa: switch aguarda até pedaço chegar completamente, então repassa/roteia

1: Introdução 30

comutação de pacotes vs de circuitos

• 1 Mbit link• cada usuário:

o 100Kbps qdo “ativo”o ativo 10% do tempo

• comutação de circuito: o 10 usuários

• comutação de pacotes: o com 35 usuários,

probabilidade > 10 ativos menos que .0004

comutação de pacotes permite mais usuários usarem a rede!

N usuários1 Mbps link

1: Introdução 31

Comutação de pacotes vs de circuitos

• Excelente para dados em rajadaso compartilhamento de recursoso sem setup na chamada

• Qdo congestionamento excessivo: atrasos e perdas de pacoteso 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!

Será comutação de pacotes o “grande vencedor da disputa?”

1: Introdução 32

Redes 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 hopo rota pode mudar durante sessãoo analogia: dirigir perguntando direção

• rede de circuito virtual:o cada pacote carrega um tag (virtual circuit ID), que

determina o próximo hopo caminho fixo determinado em tempo de setup de chamada,

permanece fixo durante chamadao roteadores mantêm estado por chamada

1: Introdução 33

Redes de acesso e meios físicosQ: Como conectar sistemas finais

aos roteadores de borda?• redes de acesso residencial• redes de acesso institucional

(escola, companhia)• redes de acesso móveis

Tenha em mente: • bandwidth (bits por segundo)

da rede de acesso?• compartilhados ou dedicados?

1: Introdução 34

Acesso residencial: acesso ponto a ponto

• Discagem via modemo até 56Kbps acesso direto ao

roteador (conceitualmente)• ISDN: integrated services

digital network: 128Kbps conectados ao roteador

• ADSL: asymmetric digital subscriber lineo até 1 Mbps casa-roteadoro até 8 Mbps roteador-casao ADSL ainda em

desenvolvimento

1: Introdução 35

Acesso residencial: modens a cabo

• HFC: hybrid fiber coaxo assimétrico: até 10Mbps downstream, 1 Mbps

upstream• rede de cabo e fibra interliga casas ao

roteador ISPo acesso compartilhado ao roteadoro questões: congestionamento,

dimensionamento• disponíveis através de companhias de cabo

1: Introdução 36

Acesso institucional: redes locais

• local area network (LAN) conectam sistemas finais a roteador de borda

• Ethernet:o cabo compartilhado ou

dedicado conecta sistema final e roteador

o 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet

1: Introdução 37

Redes de acesso sem fio

• rede de acesso sem fioe compartilhada conecta sistema final ao roteador

• wireless LANs:o espectro de rádio

substitui fioo e.g., Lucent Wavelan 11

Mbps• wider-area wireless

accesso CDPD: acesso sem fio ao

roteador ISP via rede celular

estaçãobase

hostsmóveis

roteador

1: Introdução 38

Meio físico

• link físico:o bit de dado transmitido

propaga através de um link

• meio guiado:o sinais propagam em meio

sólido: cobre, fibra• meio não guiado:

o sinais propagam livremente, e.g., rádio

Par trançado (TP)• dois fios de cobres

o Categoria 3: fio de telefone tradicional, 10 Mbps Ethernet

o Categoria 5 TP: 100Mbps Ethernet

1: Introdução 39

Meio físico: coaxial, fibra

Cabo coaxial:• fio (condutor de sinal)

dentro de fio (protetor)o baseband: canal único no

caboo broadband: múltiplos canais

no cabo• bidirecional• uso comum em Ethernet

10Mbs

Cabo de fibra ótica:• fibra de vidro conduzindo

pulsos de luz• operação em alta-velocidade:

o Ethernet 100Mbps o transmissão ponto-a-ponto

de alta-velocidade (e.g., 5 Gps)

• baixa taxa de erros

1: Introdução 40

Meio físico: rádio

• sinal conduzido no espectro eletromagnético

• sem “fio” físico• bidirecional• efeitos de propagação

do ambiente:o reflexão o obstrução por objetoso interferência

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)

o e.g. CDPD, 10’s Kbps• satélite

o canal até 50Mbps (ou vários canais menores)

o atraso fim-a-fim 270 Msec

1: Introdução 41

Atrasos em redes de comut. de pacotespacotes experimentam atrasos

no caminho fim-a-fim• quatro fontes de atraso em

cada hop

• processamento no nó: o checagem de bits de erroso escolha do link de saída

• enfileiramentoo tempo de espera no link de

saída para transmissão o depende do nível de

congestionamento do roteador

A

B

propagação

transmissão

processamentono nó enfileiramento

1: Introdução 42

Atrasos em redes de comut. de pacotesAtraso 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

A

B

propagação

transmissão

processamentono nó enfileiramento

Obs: s e R são quantidades muito diferentes!

1: Introdução 43

Atraso na fila (revisitado)

• R=link bandwidth (bps)• L=tam. pacote (bits)• a=taxa média de

chegada de pacotes

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!

1: Introdução 44

“Camadas” de protocolosRedes são complexas! • muitas “peças”:

o hostso roteadoreso vários tipos de linkso aplicaçõeso protocoloso hardware, software

Questão:Existe alguma esperança em

organizar a estrutura de rede?

Ou pelo menos a discussão sobre redes?

1: Introdução 45

Por que usar camadas?Para lidar com sistemas complexos:• estrutura explícita permite identificar o

relacionamento entre peças do sistema complexoo modelo de referência em camadas facilita discussão

• 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?

1: Introdução 46

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 47

Organização de viagens aéreas: outra visão

Camadas: cada camada implementa um serviçoo através das ações internas da própria camadao uso dos serviços providos pela camada inferior

passagem (compra)

bagagem (entrega)

portão (embarque)

decolagem


passagem (reclama)

bagagem (recupera)


aterrissagem

roteamento do aviãoroteamento do avião

1: Introdução 48

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 49

Implementação distribuída da funcionalidade da camada

Aer

opor

to d

e em

barq

ue

Aer

opor

to d

e de

sem

barq

ue

locais intermediários de tráfego aéreo


passagem (compra)

bagagem (entrega)

portão (embarque)

decolagem


passagem (reclama)

bagagem (recupera)


aterrissagem




1: Introdução 50

Pilha de protocolos da Internet• aplicação: suporta aplicações de rede

o ftp, smtp, http• transporte: transferência de dados entre

hostso tcp, udp

• 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”

aplicação

transporte

rede

enlace

física

1: Introdução 51

Camadas: comunicação lógica

aplicaçãotransporte

redeenlacefísica


redeenlacefísica aplicação

transporterede

enlacefísica


redeenlacefísica

redeenlacefísica

Cada camada:• distribuída• “entidades”

implementam funções de camadas em cada nó

• entidades executam ações, trocam mensagens com seus pares

1: Introdução 52

Camadas: comunicação logica

aplicaçãotransport

redeenlacefísica


redeenlacefísica aplicação

transporterede

enlacefísica

aplicaçãotransport

redeenlacefísica

redeenlacefísica

dados

dadosE.g.: transporte• pega dados da

aplic.• adiciona endereço,

informação de confiabilidade p/ formar “datagrama”

• envia datagramapara seu par

• espera confirmação de recepção de seu par

• analogia: correio

dados

transporte

transporte

ack

1: Introdução 53

Camadas: comunicação física


redeenlacefísica


redeenlacefísica


redeenlacefísica


redeenlacefísica

redeenlacefísica

dados

dados

1: Introdução 54

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


redeenlacefísica


redeenlacefísica

origem destinoMMMM

Ht

HtHnHtHnHl

MMMM

Ht

HtHnHtHnHl

mensagemsegmento

datagramaframe

1: Introdução 55

Aspectos Arquiteturais• Estruturação em camadas: modelo baseado em

hierarquização e descentralizaçãoSistema A

Camada 7

Camada 6

Camada 5

Camada 4

Camada 3

Camada 2

Camada 1

Meio de Transmissão

Sistema B Camada

7

Camada 6

Camada 5

Camada 4

Camada 3

Camada 2

Camada 1

Protocolo da camada 1







Interface camadas

5/6

Interface camadas

6/7

Interface camadas

3/4

Interface camadas

4/5

Interface camadas

1/2

Interface camadas

2/3

Interface camadas

5/6

Interface camadas

6/7

Interface camadas

3/4

Interface camadas

4/5

Interface camadas

1/2

Interface camadas

2/3

1: Introdução 56

Aspectos Arquiteturais• Estruturação em camadas: processo de

comunicação

m

M

M

M1

m

M

M

protocolo da camada 2

protocolo da

camada 3





interface 6/7

interface 5/6

interface 6/7

interface 5/6

SISTEMA FONTE

SISTEMA DESTINO

TRANSMISSÃO RECEPÇÃO

H4 M2H4

M2H4H3H4H3 M1

H4H3 M1H2 T2 H4H3 M2H2 T2H4H3 M1H2 T2 H4H3 M2H2 T2

M2H4H3H4H3 M1

M1H4 M2H4

1: Introdução 57

Arquitetura a Sete Camadas Do RM-OSIAplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace de Dados

Física

Protocolo de Transporte

Protocolo de Sessão

Protocolo de Apresentação

Protocolo de AplicaçãoAplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Enlace de Dados

Rede

Física

Enlace de Dados

Rede

Física

Enlace de Dados

Rede

Física

protocolos internos da sub-rede

SUB-REDE

IMP IMP

7

6

5

4

3

2

1

APDU

PPDU

SPDU

TPDU

PACOTE

QUADRO

BIT

IMP - Interface Message Processor SISTEMA A SISTEMA B

1: Introdução 58

Ilustração Da Comunicação No Modelo OSI

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

protocolo de aplicação

protocolo de apresentação

protocolo de sessão

protocolo de transporte

protocolo de rede

DADOS

processo receptor

meio de transmissão de dados

Aplicação

processo emissor

DADOS AH

DADOS PH

DADOS SH

DADOS TH

DADOS NH

DADOS DH

BITS

Aplicação

1: Introdução 59

Redes ATM: Asynchronous Transfer Mode

Internet:• hoje é o padrão

mundial de facto para redes de dados

1980’s:• ATM desenvolvido

pelas telcos: padrão de rede alternativo p/ voz/dados em alta vel.

• padronização:o ATM Forumo ITU

Princípios de ATM:• pequenas (48B de carga, 5B

de cabeçalho) células (pacotes de tamanho fixo)

o comutação rápidao tamanho pequeno bom

para voz• rede de CVs: comutadores

mantêm estado para cada“chamada”

• interface bem definidaentre a “rede” e o “usuário” (pense na companhiatelefônica)

1: Introdução 60

Camadas ATM

• Camada de Adaptação ATM (AAL): interface às camadas superiores

o sistema terminalo segmentação/

remontagem• Camada ATM :

comutação de células

• Física

AALATMfísica

AALATMfísica

AALATMfísica

AALATMfísica

ATMfísica

Onde fica a aplicação?• ATM: camada inferior• só funcionalidade• IP sobre ATM: depois

aplicaçãoTCP/UDP

IP

aplicaçãoTCP/UDP

IP

aplicaçãoTCP/UDP

IP

applicationTCP/UDP

IP

1: Introdução 61

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, UUNeto interconecta cada par com

outro privativamente, ou em um Network Access Point (NAP) público

• ISPs regionais o conecta em NBPs (ex. Telesc)

• ISP local, companhiao conecta em ISP regional (ex.

UOL, UFSC)

NBP A

NBP B

NAP NAP

regional ISP

regional ISP

localISP

localISP

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