Slide - Rede de Computadores e a Internet

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Capítulo1 Redes de computadores e a Internet

Redes de computadore s e a Internet

Introdução

Nossos objetivos:

• Obter contexto, terminologia, “sentimento” sobre redes • Maior profundidade e detalhes serão vistos depois no curso

• Abordagem:

• Usar a Internet como exemplo

Visão geral:

• O que é a Internet • O que é um protocolo?

• Bordas da rede

• Núcleo da rede

• Rede de acesso e meio físico

• Estrutura de Internet/ISP

• Desempenho: perda, atraso

• Camadas de protocolo, modelos de serviços

• Modelagem de redes

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Capítulo 1: Redes de computadores e a Internet

• 1.1 O que é Internet? • 1.2 Borda da rede

• 1.3 Núcleo da rede

• 1.4 Acesso à rede e meio físico

• 1.5 Estrutura da Internet e ISPs

• 1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes

• 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço

• 1.8 História

Redes de computadores e a Internet

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• Milhões de elementos de computação interligados: hospedeiros = sistemas finais

• Executando aplicações distribuídas

• Enlaces de comunicação fibra, cobre, rádio, satélite taxa de transmissão = largura de banda

• Roteadores: enviam pacotes blocos de dados)

O que é a Internet?

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• Protocolos: controlam o envio e a recepção de mensagens ex.: TCP, IP, HTTP, FTP, P

• Internet: “rede de redes” fracamente hierárquica Internet pública e Internets privadas (intranets)

• Internet standards

RFC: Request for comments http://www.rfc-editor.org/

IETF: Internet Engineering Task Force http://www.ietf.org/

O que é a Internet?

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• Infra-estrutura de comunicação permite aplicações distribuídas:

Web, e-mail, jogos, e-commerce, compartilhamento de arquivos

• Serviços de comunicação oferecidos: sem conexão orientado à conexão

Serviços de Internet

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Protocolos humanos: • “Que horas são?”

• “Eu tenho uma pergunta.”

• Apresentações

• … msgs específicas enviadas

• … ações específicas tomadas quando msgs são recebidas ou outros eventos

Protocolos de rede:

• Máquinas em vez de humanos (os formatos e estrutura tem que ser bem definidos)

• Toda atividade de comunicação na Internet é governada por protocolos

O que é um protocolo?

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Um protocolo humano e um protocolo de rede de computadores: O que é um protocolo?

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• 1.1 O que é Internet? • 1.2 Borda da rede

• 1.3 Núcleo da rede

• 1.4 Acesso à rede e meio físico

• 1.5 Estrutura da Internet e ISPs

• 1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes

• 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço

• 1.8 História

Redes de computadores e a Internet

• Borda da rede: aplicações e hospedeiros (que usam ou fornecem as aplicações)

• Núcleo da rede: roteadores rede de redes

• Redes de acesso, meio físico: enlaces de comunicação

Uma visão mais de perto da estrutura da rede:

• Sistemas finais (hospedeiros):

• Executam programas de aplicação • Ex.: Web, e-mail

• Localizam-se nas extremidades da rede

• Modelo cliente/servidor

• O cliente toma a iniciativa enviando pedidos que são respondidos por servidores

• Ex.: Web client (browser)/ server; e-mail client/server

• Modelo peer-to-peer:

• Mínimo (ou nenhum) uso de servidores dedicados • Ex.: Gnutella, KaZaA

As bordas da rede

Meta: transferência de dados entre sistemas finais. • Handshaking: estabelece as condições para o envio de dados antes de enviá-los

• Alô: protocolo humano

• Estados de “conexão” controlam a troca de mensagens entre dois hospedeiros

• TCP - Transmission Control Protocol • Realiza o serviço orientado à conexão da Internet

Serviço TCP [RFC 793] • Transferência de dados confiável e seqüencial, orientada à cadeia de bytes

• Perdas: reconhecimentos e retransmissões

• Controle de fluxo:

• Evita que o transmissor afogue o receptor

• Controle de congestão:

• Transmissor reduz sua taxa quando a rede fica congestionada

Borda da rede: serviço orientado à conexão

Meta: transferência de dados entre sistemas finais • O mesmo de antes!

• UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: oferece o serviço sem conexão da Internet

• Transferência de dados não confiável

• Sem controle de fluxo

• Sem controle de congestão

App’s usando TCP:

• HTTP (Web), FTP (transferência de arquivo), Telnet (login remoto), SMTP (e-mail)

App’s usando UDP: • Streaming media, teleconferência, DNS, telefonia IP

Borda da rede: serviço sem conexão

• 1.1 O que é Internet? • 1.2 Borda da rede

• 1.3 Núcleo da rede

• 1.4 Acesso à rede e meio físico

• 1.5 Estrutura da Internet e ISPs

• 1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes

• 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço

• 1.8 História

Redes de computadores e a Internet

• Malha de roteadores interconectados

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

• Comutação de circuitos: usa um canal dedicado para cada conexão

Ex.: rede telefônica

• Comutação de pacotes: dados são enviados em “blocos” discretos

O núcleo da rede

Recursos fim-a-fim são reservados por “chamada”

• Taxa de transmissão, capacidade dos comutadores

• Recursos dedicados: não há compartilhamento

• Desempenho análogo aos circuitos físicos (QOS garantido)

• Exige estabelecimento de conexão

O núcleo da rede: comutação de circuitos

Recursos da rede (ex.: capacidade de transmissão) dividida em “pedaços” • “Pedaços” alocados às chamadas

• “Pedaço” do recurso desperdiçado se não for usado pelo dono da chamada (sem divisão)

• Formas de divisão da capacidade de transmissão em “pedaços”

• Divisão em freqüência

• Divisão temporal

O núcleo da rede: comutação de circuitos

Comutação de circuitos: FDMA e TDMA

• Quanto tempo leva para enviar um arquivo de 640.0 bits do hospedeiro A para o hospedeiro B numa rede de comutação de circuitos?

• Todos os links possuem 1.536 Mbps

• Cada link utiliza TDM com 24 slots

• 500 mseg para estabelecer um circuito fim-a-fim

Calcule!

Usando toda a capacidade do link –0,5seg + 640.0 bits / 1.536.0 bits/seg =~ 0,92seg

Usando apenas um slot

Exemplo numérico

Cada fluxo de dados fim-a-fim é dividido em pacotes • Os recursos da rede são compartilhados em bases estatísticas

• Cada pacote usa toda a banda disponível ao ser transmitido

• Recursos são usados na medida do necessário Contenção de recursos: • A demanda agregada por recursos pode exceder a capacidade disponível

• Congestão: filas de pacotes, espera para uso do link

• Armazena e reenvia: pacotes se movem um “salto” por vez

• O nó recebe o pacote completo antes de encaminhá-lo

Banda passante é dividida em “slots”

Alocação fixa Reserva de recursos

Núcleo da rede: comutação de pacotes

A seqüência de pacotes A e B não possui padrão específico multiplexação estatística No TDM, cada hospedeiro adquire o mesmo slot dentro do frame TDM

Comutação de pacotes: multiplexação estatística

Comutação de pacotes permite que mais usuários usem a mesma rede! • Enlace de 1 Mbit/s

• Cada usuário: • 100 Kbits/s quando “ativo”

• Ativo 10% do tempo

• Comutação de circuitos: • 10 usuários comutação de pacotes:

• Com 35 usuários, probabilidade > 10 ativos menor que 0,0004

Comutação de pacotes x comutação de circuitos

A comutação de pacotes é melhor sempre?

• Ótima para dados esporádicos • Melhor compartilhamento de recursos

• Não há estabelecimento de chamada

• Congestionamento excessivo: atraso e perda de pacotes

• Protocolos são necessários para transferência confiável, controle de congestionamento

• Como obter um comportamento semelhante ao de um circuito físico?

• Garantias de taxa de transmissão são necessárias para aplicações de áudio/vídeo • Problema ainda sem solução (capítulo 6)

Comutação de pacotes x comutação de circuitos

Exemplo com 2 comutadores (roteadores) • Leva L/R segundos para enviar pacotes de L bits para o link ou R bps

• O pacote todo deve chegar no roteador antes que seja transmitido para o próximo link: armazena e reenvia

• Atraso = 3L/R

Exemplo: L = 7,5 Mbits R = 1,5 Mbps atraso = 15 s

Comutação de pacotes: armazena e reenvia

• Objetivo: mover pacotes entre roteadores da origem ao destino • Iremos estudar vários algoritmos de seleção de caminhos (capítulo 4)

• Redes datagrama: • O endereço de destino determina o próximo salto

• Rotas podem mudar durante uma sessão

• Analogia: dirigir perguntando o caminho

Rede de circuitos virtuais:

• Cada pacote leva um número (virtual circuit ID), o número determina o próximo salto

• O caminho é fixo e escolhido no instante de estabelecimento da conexão, permanece fixo durante toda a conexão

• Roteadores mantêm estado por conexão

Redes de comutação de pacotes: roteamento

• Rede de datagramas não é nem orientada à conexão nem orientada à conexão

• A Internet provê serviços com orientação à conexão (TCP) e serviços sem orientação à conexão (UDP) para as apps.

Taxonomia da rede

• 1.1 O que é Internet? • 1.2 Borda da rede

• 1.3 Núcleo da rede

• 1.4 Acesso à rede e meio físico

• 1.5 Estrutura da Internet e ISPs

• 1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes

• 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço

• 1.8 História

Redes de computadores e a Internet

P.: Como conectar o sistema final ao roteador de borda?

• Redes de acesso residencial

• Redes de acesso institucionais (escolas, bancos, empresas)

• Redes de acesso móveis Lembre-se :

• largura de banda (bits por segundo) da rede de acesso?

• Compartilhado ou dedicado?

Redes de acesso e meios físicos

• Modem discado • Até 56 kbps com acesso direto ao roteador (menos em tese)

• Não é possível navegar e telefonar ao mesmo tempo: não pode estar “sempre on-line”

ADSL: asymmetric digital subscriber line • Até 1 Mbps de upstream (hoje tipicamente < 256 kbps)

• Até 8 Mbps de downstream (hoje tipicamente < 1 Mbps)

• FDM: 50 kHz – 1 MHz para downstream 4 kHz – 50 kHz para upstream 0 kHz – 4 kHz para telefonia comum

Acesso residencial: redes ponto-a-ponto

• HFC: híbrido fibra e coaxial • Assimétrico: até 30 Mbps upstream, 2 Mbps downstream

Rede de cabo e fibra liga residências ao roteador do ISP • Acesso compartilhado das casas de um condomínio ou de um bairro

• Deployment: disponível via companhias de TV a cabo

Acesso residencial: cable modems

casa ponto final do cabo

rede de distribuição de cabo (simplificada)

Tipicamente 500 a 5.0 casas Arquiteturas de redes a cabo: visão geral

casa ponto final do cabo

rede de distribuição de cabo (simplificada)

Arquiteturas de redes a cabo: visão geral

casa ponto final do cabo

rede de distribuição de cabo (simplificada) servidor(es) Arquiteturas de redes a cabo: visão geral

casa ponto final do cabo

rede de distribuição de cabo (simplificada) canais

FDM: Arquiteturas de redes a cabo: visão geral

• A rede local (LAN) da companhia/univ conecta sistemas finais ao roteador de acesso

•Ethernet: • Cabo compartilhado ou dedicado conecta sistemas finais e o roteador

• 10 Mbs, 100 Mbps, Gigabit Ethernet

LANs: capítulo 5

Acesso institucional: redes de área local

• Rede de acesso sem fio compartilhada conecta sistemas finais ao roteador • Através de “ponto de acesso” da estação base

•LANs sem fio: • 802.1b (WiFi): 1 Mbps

Wide-area de acesso sem fio

• Provido pelo operador telco • 3G ~ 384 kbps O que acontecerá • WAP/GPRS na Europa

Redes de acesso sem fio

Componentes típicos de uma rede residencial: • ADSL ou cable modem

• Roteador/firewall

• Ethernet

• Ponto de acesso sem fio

Redes residenciais

• Bit: propaga-se entre os pares transmissor/receptor • Enlace físico: meio que fica entre o transmissor e o receptor

• Meios guiados: • Os sinais se propagam em meios sólidos com caminho fixo: cobre, fibra

• Meios não guiados: • Propagação livre, ex.: rádio

Twisted Pair (TP) • Par de fios trançados de cobre isolados

• Categoria 3: taxas de transmissão até 10 Mbps categoria 5: 100 Mbps Ethernet

• Categoria 5: 100 Mbps Ethernet

Meios físicos

Cabo coaxial: • Dois condutores de cobre concêntricos

• Bidirecional banda base: • Um único sinal presente no cabo • Legado da Ethernet

•Banda larga: • Canal múltiplo no cabo

Cabo de fibra óptica: • Fibra de vidro transportando pulsos de luz, cada pulso é um bit

•Alta velocidade de operação:

• Alta velocidade com transmissão ponto-a-ponto (ex.: 5 Gps)

• Baixa taxa de erros:

• Repetidores bem espaçados; imunidade a ruídos eletromagnéticos

Meio físico: coaxial, fibra

Aiko:Sem esses dois pontos após “erros”?

• Sinal transportado como campo eletromagnético • Não há fios físicos

• Bidirecional

• O ambiente afeta a propagação: • Reflexão

• Obstrução por objetos

• Interferência

Meio físico: rádio

Tipos de canais de rádio:

• Microondas terrestre • Canais de até 45 Mbps

LAN (ex.: WiFi) • 2 Mbps, 1 Mbps

Wide-area (ex.: celular) • Ex., 3G: centenas de kbps

• Satélite • Canal de até 50 Mbps (ou vários canais menores)

• 270 ms de atraso fim-a-fim

• Geossíncrono versus LEOS

Meio físico: rádio

• 1.1 O que é Internet? • 1.2 Borda da rede

• 1.3 Núcleo da rede

• 1.4 Acesso à rede e meio físico

• 1.5 Estrutura da Internet e ISPs

• 1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes

• 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço

• 1.8 História

Redes de computadores e a Internet

• Grosseiramente hierárquica

• No centro: ISPs de “zona-1” (ex.: UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T), cobertura nacional/internacional

• Os outros são igualmente tratados

ISP Zona-1

ISP Zona-1 ISP Zona-1

A Zona-1 provê interconexão (peer) de modo privativa

A Zona-1 também provê interconexão nos pontos de acesso (NAPs) da rede pública

Estrutura da Internet: rede de redes NAP = Network Access Point)

Rede de backbone da Sprint US ISP de Zona-1 – ex.: Sprint

• ISPs de ”Zona-2”: ISPs menores (freqüentemente regionais)

• Conectam-se a um ou mais ISPs de Zona-1, possivelmente a outros ISPs de Zona-2

ISP Zona-1

ISP Zona-1

ISP Zona-1

NAP ISP Zona-2ISP Zona-2

ISP Zona-2ISP Zona-2 ISP Zona-2

ISP de Zona-2 paga ao ISP de Zona-1 pela conectividade ao resto da Internet • ISP de Zona-2 é cliente do provedor de Zona-1

ISPs de Zona-2 também provêem conexão privativamente entre si, interconexão em NAP

Estrutura da Internet: rede de redes

• ISPs de “Zona-3” e ISPs locais • Última rede de acesso (“hop”) (mais próxima dos sistemas finais)

ISP Zona-1

ISP Zona-1

ISP Zona-1

NAP ISP Zona-2ISP Zona-2

ISP Zona-2ISP Zona-2 ISP Zona-2 localISP local

ISP local

ISP local local ISP Zona-3

ISP local ISP local

ISP local

ISPs locais e de Zona-3 são clientes dos ISPs de zonas mais altas conectando-os ao resto da Internet

Estrutura da Internet: rede de redes

• Um pacote passa através de muitas redes

ISP Zona-1

ISP Zona-1

ISP Zona-1

NAP Tier-2 ISPISP Zona-2

ISP Zona-2ISP Zona-2 ISP Zona-2 localISP local

ISP local

ISP local local ISP Zona-3

ISP local ISP local

ISP local

Estrutura da Internet: rede de redes

• 1.1 O que é Internet? • 1.2 Borda da rede

• 1.3 Núcleo da rede

• 1.4 Acesso à rede e meio físico

• 1.5 Estrutura da Internet e ISPs

• 1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes

• 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço

• 1.8 História

Redes de computadores e a Internet

Filas de pacotes em buffers de roteadores • Taxa de chegada de pacotes ao link ultrapassa a capacidade do link de saída

• Fila de pacotes esperam por sua vez pacote sendo transmitido (atraso) enfileiramento de pacotes (atraso) buffers livres (disponíveis): pacotes chegando descartados (perda) se não houver buffers livres

Como perdas e atrasos ocorrem?

1. Processamento nos nós: • Verifica erros de bit

• Determina link de saída

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