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Redes de Comunicação

Computadores e Redes de Comunicação Mestrado em Gestão de Informação, FEUP 2004/07

Sérgio Sobral Nunes mail: sergio.n unes@fe.up.pt web: w.fe.up.pt/~ssn

Baseado em ComputerNetworksand Internets, Douglas E. Comer. Prentice-Hall, 2004.

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Sumário

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Motivação

•As primeiras redes locais foram implementadas para aumentar instalações existentes. Por exemplo, através da partilha de dispositivos, impressoras ou discos externos.

•As redes de larga escalasurgiram como resposta à necessidade de partilha de poder computacional, associado ao elevado custo dos primeiros computadores digitais.

•A investigação desenvolvida pela ARPA foi determinante para o futuro das redes de comunicação. Desenvolvimento da ARPANET nos anos 70.

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Breve História

–Partilha de poder computacional. –Departamento de Defesa dos EUA –ARPANET.

–Investigação –governo e academia. –Protocolos TCP/IP.

– World Wide Web. – Exploração comercial.

–Migração para redes não governamentais.

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Crescimento da Internet

Crescimento da Internet, medido pelo número de computadores ligados àrede (1981 a 2003).

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Comando ping

•ping–envia uma mensagem e espera por uma resposta.

Apresenta sumários relativos aos tempos de transferência (ida e volta). Ferramenta de diagnóstico simples mas muito utilizada.

--- w w. up .pt pin g statis tic s --- 5 packetstransmitted, 5 received, 0% packetloss, time 4040ms rtt mi n/ av g/ma x/m de v = 1. 853 /2 .5 63/4 .25 0/ 0. 884 ms

--- w w. go ogle .ak ad ns .net pi ng stati sti cs --- 5 packetstransmitted, 5 received, 0% packetloss, time 4044ms rtt mi n/ av g/ma x/m de v = 86 .24 6/ 90 .200 /10 4. 40 7/7. 120 m s

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Comando traceroute

•traceroute–permite determinar as máquinas intermédias no caminho para um destino remoto. No Windows –tracert.

•Cada linha representa um computador intermédio no caminho entre a origem e o destino especificado (hop).

Transmissão de Dados Transmissão de Dados

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Transmissão de Dados

•Ao nível mais baixo, todas as comunicações entre computadores, envolvem a codificação dos dados numa forma de energia e o envio dessa energia através de um meio de transmissão .

•Meios de transmissão

– Rádi o

– Infraverm el hos

–L aser

Uso de voltagens para a transmissão de bits.

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Cabos de Cobre

•Meio mais usado para ligar computadores. Vários tipos de cabos tendo em vista a minimizaçãodas interferências:

– Unshielded Twisted Pair (UTP) –Cabo Coaxial

– Shielded Twisted Pair (STP)

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Fibra Óptica

•Emissão de um impulsos de luz através de uma fibra de vidro flexível.

–Imunes a interferências electromagnéticas.

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Rádio

•Utilização da radiação electromagnética para transmissão de dados entre computadores. Uma rede deste tipo funciona numa determinada rádio frequência.

•A dimensão da antena emissora/receptora determina o alcance da rede.

•Não énecessária uma ligação física directa.

•As redes wirelesssão um exemplo de aplicação.

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Satélite

•Utilizados para transmissão ao longo de grandes distâncias. Dois tipos em função da altura da órbita:

–Geoestacionários–mantêm-se sincronizados com a rotação da Terra. Instalados a 36.000Km de altura.

–Baixa Órbita Terrestre –Próxima dos 700Km.

•Uma configuração em malha pode ser utilizada com os satélites de baixa órbita, permitindo uma cobertura permanente. Nestes casos, uma comunicação em particular por recorrer a vários satélites.

•Devido ao custo elevado de instalação inicial, écomum várias ligações serem partilhadas pelo mesmo satélite.

Sérgio NunesComunicações e Redes de Computadores14 Satélite

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Micro-Ondas

•Recurso àradiação electromagnética em gamas de frequência para além daquelas utilizadas pela rádio ou televisão.

•Uma transmissão micro-ondaspode ser direccionada, ao contrário do que acontece com as outras ondas. Permitem também o transporte de mais informação.

•Mais susceptíveis a interferências. A instalação éfeita com linha de vista.

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Infravermelhos

•Tecnologia de radiação electromagnética usada nos telecomandos.

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Laser

•Um feixe de luz direccionadoatravés do ar pode ser usado para transmitir dados.

•A transmissão éfeita em linha recta e não pode ser bloqueada.

•Muito vulnerável a interferências por isso de uso limitado.

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Sinal Contínuo Oscilatório

•Uma corrente eléctrica não pode ser propagada uma distância arbitrária. Háuma perda de sinalem função da distância dev ido à resistência.

•Os protocolos utilizados para comunicação local (p.e. RS-232) não podem ser utilizados em grandes distâncias.

•Em transmissões de longa distância um sinal contínuo oscilatóriopropaga-se melhor do que outro tipo de sinais.

•Em vez de enviar um sinal que muda apenas com o valor, nas comunicações de longa distância, éutilizado um sinal contínuo oscilatório ( portadora ).

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Modulação

•Para enviar dados, o sinal éalterado. De uma forma geral, estas alterações são designadas por modulação.

•Tecnologia desenvolvida no contexto dos telefones, rádio e televis ão.

(a) Sinal digital. (b) Onda que resulta com a modulação. Valor 1 écodificado reduzindo a 2/3 a onda, o valor 0 reduzindo a 1/3.

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Modulação e Desmodulação

•Um aparelho que recebe uma sequência de bits e aplica modulação a uma portadora de acordo com os bits recebidos, é chamado modulador.

•Um aparelho que recebe uma portadora modulada e recria a sequência de bits original, échamado desmodulador.

•Na prática, as redes de comunicação funcionam nos dois sentidos por isso émais económico juntar num único aparelho as duas funções –modem.

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Multiplexagem

•Dois ou mais sinais que usem portadoras com frequências diferentes, podem ser transmitidos em simultâneo no mesmo meio sem interferência.

•Multiplexagempermite que múltiplos pares de emissores/receptores, comuniquem sobre o mesmo meio em simultâneo. Por divisão de frequência, por divisão de tempo.

Transmissão de Pacotes Transmissão de Pacotes

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Comutação de Pacotes

•A maioria das redes de computador não transfere os dados como uma cadeia de bits contínuos. Como, por exemplo, a rede telefónica tradicional ou as primeiras redes de computadores.

•Os dados são divididos em pequenos blocos, designados por pacotes, e enviados individualmente. Daías designações de redes de pacotese redes de comutação de pacotes.

•(1) A divisão em pequenos blocos, permite uma melhor detecção dos blocos que chegaram sem erros, e aqueles que não.

•(2) O recurso a pequenos blocos, permite a partilha equitativa dos recursos disponíveis. Os recursos não são bloqueados por longos períodos.

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Comutação de Circuitos

•Os recursos são reservados antecipadamente para a duração da conversação.

•A reserva estática de recursos não éadequada para suportar comunicação de dados entre computadores.

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Comutação de Pacotes

•A informação éenviada em unidades de dados que competem pelos recursos de rede.

•Cada pacote contém um cabeçalho com informação que permite o seu encaminhamento pela rede. Os pacotes são enviados individualmente segundo uma lógica de storeand forward .

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Erros de Transmissão

•Como o equipamento electrónico ésusceptível a interferências electromagnéticas, os dados transferidos podem ser distorcidos ou perdidos.

•As interferências podem ser interpretadas pelo receptor como informação válida.

•Para a detecção dos erros de transmissão, o emissor calcula e envia informação adicional que permite a verificação dos dados por parte do receptor.

•Nenhum mecanismo éperfeito pois os próprios dados de controlo podem sofrer interferências.

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Erros de Transmissão

–Os dados são tratados como uma sequência de inteiros e é calculada a soma.

• Cyclic Redundacy Check (CRC )

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Ligações Directas

•Os primeiros sistemas de computadores utilizavam ligações directas (ponto-a-ponto).

•(1) O hardware e as especificações a utilizar podem ser as mais adequadas para a comunicação particular.

•(2) Para alterar os detalhes da implementação basta o acordo dos dois intervenientes.

•(3) Émais fácil implementar mecanismos de segurança e privac idade.

•Os problemas surgem quando se procura ligar mais do que dois computadores.

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Ligações Directas

•Numa rede com ligações ponto-a-ponto, o número total de ligações necessárias pode exceder o número total de computadores a ligar.

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Partilha do Meio Físico

•Houve uma alteração radical nos anos 60 e 70 com o desenvolvimento das redes locais –Local AreaNetworks(LAN).

•Como háuma eliminação da duplicação, a partilha resulta na redução de custos.

•A necessidade de coordenação impede que estas tecnologias sejam utilizadas em redes de longa distância. Devido aos atrasos, o tempo gasto na coordenação seria superior aquele gasto na comunicação real.

•As tecnologias de redes locais (LAN) são a forma mais popular de rede de computadores. As LAN ligam mais computadores do que qualquer outro tipo de rede.

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Topologias de Rede

•As redes locais são agrupadas em categorias de acordo com a forma genérica, ou topologia.

•Representam conceitos lógicos, a implementação real (física) pode variar.

–E strela – Anel

•Cada topologia apresenta vantagens e desvantagens. •Futuro: redes sem fios.

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Topologia em Estrela

•Cada computador éligado a um ponto central.

•O elemento central pode ser um repetidor multiporta(hub) ou um comutador.

•A falha parcial de uma ligação não tem impacto sobre a rede.

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Topologia em Anel

•Os computadores são ligados num circuito fechado. Existência de repetidores em cada ponto.

•Coordenação de acessos ésimplificada.

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Topologia em Anel

•Mecanismo de acesso mais utilizado –passagem do testemunho (token).

•Redes tokenring. Utilização de um testemunhopara controlar a utilização da rede.

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Topologia em Barramento

•Ligação através de um único cabo, ao qual os computadores são ligados.

•Requer menos cabo na instalação.

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Ethernet

•Inventada nos anos 70 na Xerox Parc. •Actualmente a norma écontrolada pelo IEEE.

•Implementação original Æ10 Mbps • Fast Ethernet Æ100 Mbps

•GigabitEthernetÆ1000 Mbps/ 1 Gbps

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Ethernet

•Enquanto um computador utiliza o meio, todos os outros esperam.

•São necessários mecanismos para controlar a transmissão. Ex: CSMA/CD.

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Topologia Física

•A diferença de velocidade entre o CPU e a rede de comunicação éum problema importante.

–(2) Não faz sentido impor uma velocidade fixa para todos os computadores numa rede.

•A existência de um equipamento específico –placa/carta de rede, permite que o computador lide com redes mais rápidas do que o CPU seria capaz de suportar.

•Acomoda a diferença de velocidades entre a rede e o computador.

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Topologia Física

•A tecnologia Ethernetutiliza uma topologia em barramento.

•A implementação física pode seguir diferentes opções de ligação.

•A tecnologia determina a topologia lógica.

•O esquema de ligações determina a topologia física.

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Extensão de Redes Locais

•Um aspecto fundamental das LAN éa limitação em termos de distância.

•Existem tecnologias que permitem estender estas distâncias

–Fibra Óptica: permite estabelecer uma ligação entre um computador e uma LAN remota.

–Repetidores: liga dois segmentos de rede independentes. Reenvia o sinal amplificado sem qualquer filtragem.

–Bridges: reenvia pacotes válidos de um segmento para outro. Não reenvia interferências ou outros problemas.

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Repetidores

•Amplifica e envia todos os sinais eléctricos que ocorrem num segmento para o outro segmento.

•Se uma colisão ocorre num segmento, os repetidores provocam o mesmo problema no(s) outro(s).

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Repetidores

Frente e verso de um repetidor Ethernet. Na frente são visíveis os vários indicadores de estado. No verso épossível identificar uma ligação RJ-45 e uma ligação coaxial Ethernet.

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Bridges

•As bridgesexaminam os endereços físicos dos pacotes e decidem se reenviar ou não para outros segmentos.

•A utilização de bridgespode melhorar o desempenho da rede.

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Tipos de Redes

•As tecnologias de rede podem ser classificadas segundo três categorias genéricas, de acordo com o tamanho da rede que pode ser criada.

–Local AreaNetworks(LAN) –podem abranger um edifício único ou campus .

–MetropolitanAreaNetworks(MAN) –podem abranger uma cidade. Poucas tecnologias se inserem nesta categoria.

–WideAreaNetwors(WAN) –podem abranger múltiplas cidades, países ou continentes.

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Wide Area Networks

•As tecnologias de rede WAN podem ser utilizadas para formar redes que abrangem uma área arbitrariamente longae um número arbitrário de computadores.

•O equipamento base de uma WAN éo packetswitch. Um conjunto de packetswitchessão interligados para formar uma WAN.

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Switches

EthernetswitchCisco Catalyst3000. Este equipamento tem 16 ligações Ethernetde 10Mbps. Junto ao topo épossível identificar 2 ligações de 100Mbps.

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Storeand Forward

•Os packetswitchesfuncionam numa lógica de storeand forward–os pacotes são colocados em memória atéser possível reenviá-lo para o destino.

•Permite lidar com tráfego abrupto; Criar filas de espera para determinados recursos; Reduzir a necessidade de coordenação.

•Éum paradigma fundamental nas redes WAN, uma vez que épossível que múltiplos computadores comuniquem em simultâneo.

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Medidas de Desempenho

•Atraso(delay) –tempo que um bit demora a atravessar a rede de um computador para outro, normalmente em milisegundos.

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