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1: Introdução 1
Introdução as Redes de Computadores
Transparências baseadas no livro
“Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet”James Kurose e Keith Ross
“Redes de Computadores”A. Tanenbaum
e Prof. Marcelo Stemmer
1: Introdução 2
Importância das Redes de Comunicação
- Nas empresas modernas temos grande quantidade de computadores operando em diferente setores. Operação mais eficiente se estes computadores forem interconectados:- possível compartilhar recursos- possível trocar dados entre máquinas de forma simples
e confortável para o operador
- Redes são muito importantes para a realização da filosofia CIM (Manufatura Integrada por Computador)
De uma forma geral, redes de computadores sãonecessárias devido:
- Distribuição espacial- Compartilhamento de recursos
1: Introdução 3
Alcance das Redes de Comunicação
LAN (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.
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): interconexão de computadores localizados em diferentes prédios em cidades distantes em qualquer ponto do mundo. Usa rede telefônica, antenas parabólicas, satélites, etc. Extensão > 50 Km.
outros...
PAN (Personal Area Network) - ~10m
BAN (Body Area Network) - ~1m
...
1: Introdução 4
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.
- comunicação entre estações não adjacentes feita por estações intermediárias
- política conhecida como “comutação de pacotes”
- topologia usada na maioria de redes WAN, MAN e algumas LAN
1: Introdução 5
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 6
Topologia das Redes de Comunicação
- Canais de difusão: única linha de comunicação compartilhada por todas as estações
- mensagens difundidas no canal 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 comum em LAN mas também possível em WAN
- requer mecanismos de arbitragem de acesso para evitar conflitos
1: Introdução 7
Topologias de Redes de Difusão
satélite
(a) (b) (c)
(a) barramento; (b) satélite; (c) anel.
1: Introdução 8
Estrutura de uma rede (ex. Internet)
Rede de redes
• borda da rede: aplicações e hosts
• núcleo da rede: o roteadores
1: Introdução 9
A borda da rede:
• sistemas finais (hosts):o executam programas de
aplicaçãoo e.g., WWW, e-mail
• dois tipos de serviços:o serviço orientado a conexão -
TCP [RFC 793]o serviço sem conexão –
UDP [RFC 768]
o http://www.ietf.org
1: Introdução 10
O núcleo da rede
• malha de roteadores interconectados
• questão fundamental: como os dados são transferidos através da rede?
o comutação de circuitos: circuito dedicado por chamada: rede telefônica
o comutação de pacotes: dados enviados através da rede em “pedaços”
1: Introdução 11
Comutação de circuitos
Recursos fim a fim reservados por chamada
• recursos são: largura de banda no enlace, capacidade no switch
• recursos dedicados: sem compartilhamento
• desempenho garantido
• requer setup na chamada
1: Introdução 12
Comutação de circuitos (cont.)
recursos de rede (ex., largura de banda) dividida em “pedaços”
• pedaços alocados para chamadas
• pedaço do recurso ocioso se não usado pelo próprio chamador (sem compartilhamento)
• dividindo largura de banda:o divisão de
freqüênciaso divisão de tempos
1: Introdução 13
Comutação de circuitos (cont.)
FDMA
freqüência
tempo
TDMA
freqüência
tempo
4 usuários
Exemplo:
1: Introdução 14
Comutação de pacotes (cont.)
cada 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 hop vezo transmitidos sobre linko espera a vez no
próximo linkDivisão de largura de banda
Alocação dedicadaReserva de recursos
1: Introdução 15
Comutação de pacotes (cont.)
• Comutação de pacotes versus comutação de circuito: analogia com restaurante
• Olhar applet de comutação de pacotes da página
A
B
C10 MbpsEthernet
1.5 Mbps
45 Mbps
D E
multiplexação estatística
fila de pacotesesperando pelo enlace de saída
1: Introdução 16
Comutação de pacotes vs de circuitos
Enlace 1 Mbitcada usuário:
o 100Kbps qdo “ativo”o ativo 10% do tempo
• comutação de circuitos:
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 usuários
enlace1 Mbps
1: Introdução 17
Redes comutação de pacotes: roteamento• Objetivo: mover pacotes entre roteadores da
origem para destinoo 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 18
Atraso e largura de banda
• Mensura capacidade do canal
• Quantos bytes a gente consegue enfiar no canal antes de chegar no destino?delay
band
wid
th
• Produto atraso x largura de banda é uma importante métrica
1: Introdução 19
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 20
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/s)• atraso propagação = d/s
A
B
propagação
transmissão
processamentono nó enfileiramento
• Atraso fim a fim (ou latência):Somatório dos atrasos ao longo do caminho. Ex. centenas de milisegundos
1: Introdução 21
Atraso de enfileiramento
• R=link bandwidth (bps)
• L=tam. pacote (bits)• a=taxa média de
chegada de pacotesintensidade 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 22
O que é protocolo?
protocolos humanos:• “que horas são?”• “Eu tenho uma
questão”
… msgs específicas enviadas
… ações específicas tomadas quando msgs recebidas, 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 23
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 24
“Camadas” de protocolos
Redes 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 25
Por que usar camadas?
Para lidar com sistemas complexos:• estrutura explícita permite identificar o
relacionamento entre peças do sistema complexo
o 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 26
Pilha de protocolos da Internet
• 7 - aplicação: suporta aplicações de rede
o ftp, smtp, http
• 4 - transporte: transferência de dados entre hosts
o tcp, udp
• 3- rede: roteamento de datagramas da origem para destino
o ip, protocolos de roteamento
• 2 - enlace: transferência de dados entre elementos de rede “vizinhos”
o ppp, ethernet
• 1 - física: representação física dos bits, questões de hardware, etc.
• Obs. Camadas 6 (Apresentação) e 5 (Sessão) não existem na Internet.
aplicação
transporte
rede
enlace
física
1: Introdução 27
Camadas: comunicação lógica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
redeenlacefísica
Cada camada:• distribuída• “entidades”
implementam funções de camadas em cada nó
• entidades executam ações, trocam mensagens com seus pares
1: Introdução 28
Camadas: comunicação logica
aplicaçãotransport
redeenlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
aplicaçãotransport
redeenlacefísica
redeenlacefísica
dados
dadosE.g.: transporte• pega dados da
aplic.• adiciona
endereço, informação de confiabilidade p/ formar “datagrama”
• envia datagrama para seu par
• espera confirmação de recepção de seu par
• analogia: correio
dados
transporte
transporte
ack
1: Introdução 29
Camadas: comunicação física
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
redeenlacefísica
dados
dados
1: Introdução 30
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
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
aplicaçãotransporte
redeenlacefísica
origem destino
M
M
M
M
Ht
HtHn
HtHnH l
M
M
M
M
Ht
HtHn
HtHnH l
mensagem
segmento
datagramaframe
1: Introdução 31
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