1: Introdução 1

Redes de Computadores e a Internet

Antônio Abelémabelem@ufpa.br

1: Introdução 2

Conteúdo Programático

1. Introdução e Conceitos Básicos

2. Camada de Aplicação

3. Camada de Transporte

4. Camada de Rede

1: Introdução 3

Bibliografia❒ KUROSE & ROSSI. Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the

Internet. 2ª edição. 2002.

❍ Título da tradução: Redes de Computadores e a Internet. Ed. Pearson Brasil. 1ª edição.

2001.

❒ TANENBAUM, A. Computer Network. 4ª edição. Prentice Hall, 2002.

❍ Título da tradução: Redes de Computadores. 3ª edição. PHB, 2000.

❒ COMER, D. Internetworking with TCP/IP. 4ª edição. Prentice Hall, 2001.

❍ Interligação em Rede com TCP/IP. Vol.1. Ed. Campus. 2001.

❒ YEMINI, Y.The Network Book. http://www1.cs.columbia.edu/netbook/

❒ Artigos diversos.

1: Introdução 4

Avaliação

❒ Prova

❒ Trabalho prático

❒ Lista de discussão❒ Página WEB:

❍ http://www.cultura.ufpa.br/abelem/

Suporte da disciplina

1: Introdução 5

O que é a Internet: os componentes

❒ milhões de dispositivosinterligados: hospedeiros, sistemas terminais

❍ PCs, estações, servidores❍ PDAs, telefones,

torradeirasexecutando aplicações de

rede❒ enlaces de comunicação

❍ fibra, cobre, rádio, satélite❒ Roteadores/comutadores:

encaminham blocos de dados pela rede

Provedorlocal

Redecorporativa

Provedorregional

roteador estação

servidor móvel

1: Introdução 6

O que é a Internet: os componentes❒ protocolos: controlam

envio, recepção de mensagens

❍ p.ex., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP

❒ Internet: “rede de redes”❍ aproximadamente hierárquica❍ Internet pública contra

intranet privada❒ Padrões Internet

❍ RFC: Request for comments❍ IETF: Internet Engineering

Task Force

Provedorlocal

Redecorporativa

Provedorregional

roteador estação

servidor móvel

1: Introdução 7

O que é a Internet: os serviços

❒ Infra-estrutura de comunicação possibilitaaplicações distribuídas:

❍ WWW, correio, jogos, comércio eletrônico.

❍ Voz, vídeo.❍ outras?

❒ serviços de comunicaçãooferecidos:

❍ sem conexão❍ orientado a conexão

1: Introdução 8

O que é um protocolo?protocolos humanos:❒ “que horas são?”❒ “queria perguntar...”❒ apresentações

… mensagensespecíficas enviadas

… ações específicastomadas ao recebermensagens, ou em outros eventos

protocolos de rede:❒ máquinas em vez de

gente❒ toda comunicação na

Internet governadapor protocolos

protocolos definem formato, ordem de mensagensenviadas e recebidas

entre entidades de rede, e ações tomadas ao enviarou receber uma mensagem

1: Introdução 9

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

P: Outro protocolo humano?

Oi!

Oi!Que horas

são?2:00

TCP pedidode conexão.TCP resposta.

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

<arquivo>Tempo

1: Introdução 10

Detalhes sobre a estrutura da rede

❒ Borda da rede:aplicações e hospedeiros

❒ núcleo da rede:❍ roteadores❍ rede de redes

❒ redes de acesso, meios físicos:enlaces de comunicação

1: Introdução 11

A borda da rede:❒ sistemas terminais:

❍ executam aplicações❍ p.ex. WWW, correio❍ na “borda da rede”

❒ modelo cliente/servidor❍ cliente solicita, recebe serviço

do servidor❍ p.ex., cliente WWW (browser)/

servidor; cliente/servidor de correio

❒ modelo entre pares (p2p):❍ interação simétrica❍ p.ex.: teleconferências

1: Introdução 12

Borda da rede: serviço orientado a conexão

Meta: transferência de dados entre sistemas

❒ “handshaking”:preparação para iniciartransferência

❍ protocolo humano: “Oi!”, “Oi!”

❍ criar “estado” em 2 sistemas em comunicação

❒ TCP - Transmission Control Protocol

❍ serviço orientado a conexão da Internet

serviço TCP [RFC 793]❒ transf. dados: fluxo de

bytes ordenado, confiável❍ perdas: reconhecimentos e

retransmissões❒ controle de fluxo:

❍ remetente não vai “afogar”o receptor

❒ controle de congestionamento:

❍ remetentes “reduzem a taxa de envio” quando redecongestionada

1: Introdução 13

Borda da rede: serviço sem conexão

Meta: transferência de dados entre sistemas

❍ mesma que antes!❒ UDP - User Datagram

Protocol [RFC 768]: serviço sem conexão daInternet❍ transf. de dados não

confiável❍ sem controle de fluxo❍ sem controle de

congestionamento

Aplics. usando TCP:❒ HTTP (WWW), FTP

(transf. de arquivo), Telnet (acesso remoto), SMTP (correio)

Aplics. usando UDP:❒ mídia com “streaming”,

teleconferências, telefonia pela Internet

1: Introdução 14

Núcleo da Rede

❒ malha conexa de roteadores

❒ a questão fundamental:como se transfere dados através da rede?❍ comutação de circuitos:

circuito dedicado por chamada: rede de telefonia

❍ comutação de pacotes:dados enviados pelarede em quantiasdiscretas

1: Introdução 15

Núcleo da Rede: comutação de circuitos

Recursos fim a fimreservados para a “chamada”

❒ banda de enlace, capacidade de comutação

❒ recursos dedicados: nãohá compartilhamento

❒ desempenho comocircuitos (garantido)

❒ requer fase inicial(“setup”)

1: Introdução 16

Núcleo da Rede: comutação de circuitos

Recursos de rede (p.ex., banda) retalhado em “pedaços”

❒ pedaços alocados a chamadas

❒ recurso ocioso se nãousado pela chamada (nãohá compartilhamento)

❒ divisão de banda em “pedaços”❍ divisão por frequência❍ divisão por tempo

1: Introdução 17

Núcleo da Rede: comutação de pacotes

Cada fluxo de dados fim a fim dividido em pacotes

❒ pacotes de usuários A, B compartilham recursos

❒ cada pacote usa bandainteira do enlace

❒ recursos usados a demanda

Contenção por recursos:❒ demanda agregada pode

exceder os recursosdisponíveis

❒ congestionamento: filade pacotes, espera parauso do enlace

❒ armazena, reencaminha: pacotes movem um enlace a cada vez❍ transmite pelo enlace❍ aguarda vez p/ o próx.

Retalhamento de bandaAlocação dedicada

Reserva de recursos

1: Introdução 18

Núcleo da rede: comutação de pacotes

Comutação de pacotes X comutação de circuitos:analogia humana de restaurante❒ outras analogias humanas?

A

B

CEthernet 10 Mbps

2 Mbps

34 Mbps

D E

multiplexação estatística

fila de pacotesaguardando enlace

de saída

1: Introdução 19

Comutação de pacotes X comutação de circuitos

❒ enlace de 1 Mbit❒ cada usuário:

❍ 100Kbps quando “ativo”❍ ativo 10% do tempo

❒ comutação de circuitos: ❍ 10 users

❒ comutação de pacotes: ❍ com 35 usuários,

probabilidade > 10 ativosmenor que 0,004

Comutação de pacotes permitir admitir mais usuários!

N usuáriosenlace de 1 Mbps

1: Introdução 20

Comutação de pacotes X comutação de circuitos

❒ Fantástico para dados em rajadas❍ compartilha recursos❍ não requer inicialização (setup)

❒ Congestionamento excessivo: retardo e perdas❍ protocolos necessários para transferência

confiável de dados, controle de congestionamento❒ P: Como prover comportamento de circuitos?

❍ Garantias de banda necessárias para aplicaçõesde áudio/vídeo

é um problema ainda sem solução.

Comutação de pacotes será sempre o melhor?

1: Introdução 21

Redes de pacotes: roteamento

❒ Meta: mover pacotes entre roteadores da origem aodestino

❍ existem diversos algoritmos de seleção de rota (cap. 4)❒ rede de datagramas:

❍ endereço de destino determina próximo passo❍ rotas podem mudar durante uma sessão❍ analogia: dirigindo, perguntando o caminho

❒ rede de circuitos virtuais:❍ cada pacote carrega rótulo (ID de circuito virtual), rótulo

determina próximo passo❍ rota fixa determinada em tempo de estabelecimento da

chamada, permanece fixa durante a chamada❍ roteadores mantêm estado por chamada

1: Introdução 22

Redes de acesso e meios físicos

P: Como ligar sistemasterminais ao 1o roteador?

❒ redes de accessoresidencial

❒ redes de accessoinstitucional (escola, empresa)

❒ redes de accesso móvel

Características principais: ❒ banda (bits per second) da

rede de acesso?❒ compartilhada ou dedicada?

1: Introdução 23

Acesso residencial: acesso ponto a ponto

❒ Discado via modem❍ até 56Kbps, acesso direto ao

roteador (conceitualmente)❒ RDSI: rede digital de serviços

integrados (DVI - Telemar): 128Kbps, conexão digital aoroteador

❒ ADSL: asymmetric digitalsubscriber line❍ até 1 Mbps casa ao roteador❍ até 8 Mbps roteador a casa❍ disponibilidade de ADSL :

Telefônica, Telemar (RJ,MG,BA, PA) 1: Introdução 24

Acesso residencial: cable modems

❒ HFC: hybrid fiber coax❍ assimétrico: até 10Mbps p/ a

casa, 1 Mbps para a rede❒ rede de cabo e fibra liga a

casa ao roteador do provedor

❍ acesso compartilhado aoroteador pelas casas

❍ problemas: dimensionamento, congestionamento

❍ disponibilidade: via cias. de TV a cabo, p.ex., NET, TVA

1: Introdução 25

Acesso institucional: redes locais

❒ rede local (LAN) daempresa/univ. liga sistematerminal ao 1o roteador

❒ Ethernet:❍ cabo compartilhado ou

dedicado usado paraacesso ao roteador

❍ 10 Mbps, 100Mbps, Gigabit Ethernet

❒ disponibilidade:instituições, redes locaisdomésticas em breve

1: Introdução 26

Redes de acesso sem fio

❒ rede de acesso sem fioliga ao roteador

❒ redes locais sem fio:❍ espectro de rádio

substitui cabo❍ p.ex., Wavelan 2, 11 e

54Mbps❍ Wavelan tb usada para

ligações ponto a ponto❒ acesso sem fio não local

❍ CDPD: acesso sem fio aoroteador do provedor via rede de telefonia celular

estaçãobase

sistemasmóveis

roteador

1: Introdução 27

Meios físicos

❒ enlace físico:bit de dados transmitido propagadosatravés do enlace

❒ meio guiado:❍ sinais propagam em meios

sólidos: cobre, fibra❒ meios não guiados:

❍ sinais propagamlivremente, p.ex., rádio

Par trançado (TP)❒ dois fios isolados de

cobre❍ Categoria 3: fio

telefônico tradicional, ethernet de 10 Mbps

❍ Categoria 5: ethernetde 100Mbps

1: Introdução 28

Meios físicos: cabo coaxial, fibra

Cabo coaxial:❒ fio (portador do sinal)

dentro de um fio(blindagem)

❍ banda básica: canal únicono cabo

❍ banda larga: múltiploscanais no cabo

❒ bidirecional❒ uso era comum em

Ethernet de 10Mbps

Cabo de fibra ótica:❒ fibra de vidro iluminada

por pulsos de luz❒ operação de alta

velocidade:❍ Ethernet de 100Mbps ❍ transmissão de alta

velocidade ponto a ponto(p.ex., 10 Gbps)

❒ baixa taxa de erros❒ 2 tipos de fibra:

monomodo, multimodo

1: Introdução 29

Meios físicos: rádio

❒ sinal enviado peloespectroeletromagnético

❒ sem “fio” físico❒ bidirecional❒ efeitos sobre

propagação do ambiente:

❍ reflexão❍ obstrução por objetos❍ interferência

Tipos de enlace de rádio:❒ microondas

❍ p.ex. canais até 155 Mbps❒ rede local (p.ex., waveLAN)

❍ 2Mbps, 11Mbps, 54Mbps❒ longa distância (p.ex., celular)

❍ p.ex. CDPD, 10’s Kbps❒ satélite

❍ canais de até 50Mbps (oumúltiplos canais menores)

❍ retardo ponto a ponto de 270 ms❍ geosíncrono X LEOS (Low Earth

Orbit Satellite)1: Introdução 30

Retardo em redes de pacotesPacotes experimentam

retardo em caminhosfim a fim

❒ quatro causas de retardo a cada enlace

❒ processamento no nó: ❍ verifica erros de bits❍ determina enlace saída

❒ filas❍ tempo gasto aguardando

envio no enlace de saída❍ depende do nível de

congestionamentoA

B

propagação

transmissão

Processamentono nó enfileiramento

1: Introdução 31

Retardo em redes de pacotesRetardo de transmissão:❒ R=banda do enlace (bps)❒ L=tamanho do pacote

(bits)❒ tempo para transmitir

pacote no enlace = L/R

Retardo de propagação:❒ d = comprimento do enlace❒ s = velocidade de

propagação (~2x108 m/sec)❒ retardo propagação = d/s

Note: s e R são quantidadesmuito diferentes!

A

B

propagação

transmissão

Processamentono nó enfileiramento 1: Introdução 32

“Camadas” de ProtocolosRedes são complexas! ❒ Muitos componentes:

❍ hospedeiros❍ roteadores❍ enlaces de

diversos meios❍ aplicações❍ protocolos❍ hardware,

software

Pergunta:Existe alguma esperança

de organizar a estrutura da rede?

Ou, pelo menos, organizarnossa discussão de

redes?

1: Introdução 33

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 34

Organização de viagens aéreas: outra visão

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

passagem (compra)

bagagem (entrega)

portão (embarque)

decolagem

roteamento do avião

passagem (reclama)

bagagem (recupera)

portão (desembarque)

aterrissagem

roteamento do aviãoroteamento do avião

1: Introdução 35

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 36

Implementação distribuída das funcionalidades em camadas

Aer

opor

tode

em

barq

ue

Aer

opor

tode

de

sem

barq

ue

locais intermediários de tráfego aéreo

roteamento do avião

passagem (compra)

bagagem (entrega)

portão (embarque)

decolagem

roteamento do avião

passagem (reclama)

bagagem (recupera)

portão (desembarque)

aterrissagem

roteamento do avião

roteamento do avião

roteamento do avião

1: Introdução 37

Por quê usar camadas?Ao lidar com sistemas complexos:❒ estrutura explícita permite identificação, relações

entre componentes de sistema complexo❍ modelo de referência para discussão

❒ modularização facilita manutenção, atualização do sistema❍ mudanças de implementação do serviço da

camada é transparente ao resto do sistema❍ p.ex., mudança no procedimento do portão não

afeta o resto do sistema

1: Introdução 38

Por quê usar camadas?

❒ Princípio do “Dividir para Conquistar”❒ modularização facilita manutenção,

atualização do sistema❒ Projetar uma rede como um conjunto

hierárquico de camadas❍ Cada nível utiliza os serviços oferecidos

pelo nível imediatamente inferior para implementar e oferecer os seus serviços ao nível imediatamente superior

❍ O projeto de um nível está restrito a um contexto específico e supõe que os problemas fora deste contexto jáestejam devidamente resolvidos

Camada 1Camada 1

Camada 2Camada 2

Camada 3Camada 3

......

Camada nCamada n

1: Introdução 39

Níveis, Protocolos e InterfacesSistema

ASistema

B

Interface 1/2

Interface 2/3

Interface 3/4

Nível 1 Nível 1Interface 1/2

Interface 2/3

Interface 3/4Protocolo de Nível 3

Protocolo de Nível 2

Protocolo de Nível 1

Nível 2 Nível 2

Nível 3 Nível 3

Nível 4 Nível 4Protocolo de Nível 4

Interface n-1/nProtocolo de Nível n-1Nível n-1 Nível n-1

Nível n Nível nProtocolo de Nível n

Interface n-1/n

... ...

1: Introdução 40

Arquiteturas de Comunicação

❒ Modelo de Referência OSI❍ Modelo de referência para interconexão de

sistemas abertos

❒ Arquitetura IEEE 802❍ Conjunto de Padrões para Redes Locais

❒ Arquitetura TCP/IP (Internet)❍ Arquitetura baseada no conceito de interligação

de redes❍ Padrão de fato atual

1: Introdução 41

Arquitetura TCP/IP (Internet)

❒ Desenvolvido pelo Departamento de Defesa

Americano (DARPA)

❒ Padrão de fato

❒ Evolução da ARPANET

❒ Começo do projeto no início dos anos 70

❒ Arquitetura baseada no conceito de inter-redes

1: Introdução 42

Camadas da Arquitetura TCP/IP

RedeRede

InterInter--rederede

TransporteTransporte

AplicaAplicaççãoão

Interface de Rede

Intra-Rede ouHardware

1: Introdução 43

Nós na Arquitetura TCP/IP

MensagemMensagemidênticaidêntica

PacotePacoteidênticoidêntico

RoteadorRoteador

RedeRede FFíísicasica 11intraintra--rederede

Inter-rede

Interfacede rede

Interfacede rede

Interfacede rede

Host AHost A

QuadroQuadroidênticoidêntico

DatagramaDatagramaidênticoidêntico

Inter-rede

Transporte

Aplicação

Interface derede

Host BHost B

QuadroQuadroidênticoidêntico

DatagramaDatagramaidênticoidêntico

Inter-rede

Transporte

Aplicação

RedeRede FFíísicasica 22intraintra--rederede

1: Introdução 44

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, protocolos de roteamento

❒ enlace: transferência de dados entre elementos de rede vizinhos

❍ ppp, ethernet❒ física: bits “nos fios”

aplicação

transporte

rede

enlace

física

1: Introdução 45

Camadas: comunicação lógica

aplicaçãotransporte

redeenlacefísica

redeenlacefísica

Cada camada:❒ distribuída❒ “entidades”

implementamfunções dacamada em cada nó

❒ entidadesrealizam ações, trocammensagens com pares

aplicaçãotransporte

redeenlacefísica aplicação

transporterede

enlacefísica

aplicaçãotransporte

redeenlacefísica

1: Introdução 46

Camadas: comunicação lógica

aplicaçãotransporte

redeenlacefísica

aplicaçãotransporte

redeenlacefísica application

transportnetwork

linkphysical

aplicaçãotransporte

redeenlacefísica

redeenlacefísica

dados

dadosP.ex.: transporte❒ obtém dados da apl.❒ inclui endereços,

info paraconfiabilidade paraformar “datagrama”

❒ envia datagrama aopar

❒ espera receber ack(reconhecimento) do par

❒ analogia: correios

dados

transport

transport

ack

1: Introdução 47

Camadas: comunicação física

aplicaçãotransporte

redeenlacefísica

aplicaçãotransporte

redeenlacefísica

aplicaçãotransporte

redeenlacefísica

aplicaçãotransporte

redeenlacefísica

redeenlacefísica

dados

dados

1: Introdução 48

Camadas de protocolos e dadosCada camada recebe dados da camada superior❒ acrescenta cabeçalho com informação para criar

nova unidade de dados❒ passa nova unidade de dados para camada inferior

aplicaçãotransporte

redeenlacefísica

aplicaçãotransporte

redeenlacefísica

origem destino

MMMM

Ht

HtHnHtHnHl

MMMM

Ht

HtHnHtHnHl

mensagemsegmento

datagramaquadro