camadas de protocolos e atrasos

Camadas de Protocolos e Atrasos

Prof. Claudio Benossi

Aula passada

Camadas de protocolos◦ Modelo de referência OSI

Atrasos

Exercícios

Sumário

Conjunto de regras que determinam como deve ocorrer a comunicação entre duas estações em uma rede◦ Mensagens específicas são enviadas◦ Ações específicas são tomadas

Protocolos

Em redes de computadores

Protocolos

Pedido de conexão

Resposta positiva

GET: http://www.inf.unisinos.br

<arquivo>tempo

Protocolos definem formato, ordem de

mensagens enviadas e recebidas entre

entidades de rede e ações tomadas ao

enviar ou receber uma mensagem.

Redes de computadores modernas◦ organizadas de uma forma estruturada◦ componentes hierarquizados em camadas

Por quê?◦ isolar as camadas superiores dos detalhes de

implementação dos níveis inferiores◦ possibilitar a substituição da implementação de

uma camada por outra

Protocolos Hierárquicos

Redes são complexas!◦ Muitos componentes

Hosts Roteadores Enlaces Aplicações Protocolos Hardware, Software…

Camadas de Protocolos

Pergunta:

Como organizar melhor a estrutura da rede?

Divisão em camadas

Modelo de Camadas

• Por que usar camadas?• Ao lidar com sistemas complexos:

– Estrutura explícita permite identificação de relações entre componentes do sistema complexo.

• Modelo de referência para discussão.– Modularização facilita implementação, atualização do

sistema• Mudanças de implementação do serviço da camada é

transparente ao resto do sistema• Exemplo: mudança no procedimento do portão não afeta o

resto do sistema

Modelo de Referência OSI◦ Conjunto de diretrizes para

permitir interconexão de redes heterogêneas

◦ Define sete camadas cada um com um conjunto de funções específicas

Modelo de CamadasAplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

Modelo de Referência OSI

Protocolo de transporte

Máquina A

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Físico

Aplicação

Apresentação

SPDU

TPDU

pacote

quadro

bit

Máquina B

APDU

PPDU

Protocolo de sessão

Protocolo de apresentação

Protocolo de aplicação

SUB-REDE DE COMUNICAÇÕES

Roteador Roteador

Nível Físico◦ transmissão de bits através do

canal de comunicação manipulação das características

mecânicas, elétricas, funcionais e procedurais para acessar o meio físico Taxas de transferência Controle de acesso ao meio

Move os bits através do meio de transmissão

Modelo de referência OSIAplicação

Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

Nível de Enlace◦ Transmite/recebe conjuntos de bits

chamados quadros (frames)◦ Detecta/corrige erros do meio de

transmissão◦ Implementado parte em software, parte

em firmware (programação permanente da placa de rede)


Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

Nível de Rede◦ Permite que os dados sejam

enviados em pacotes a máquinas em outras redes que não a local Roteamento Localização dos computadores na

Internet◦ Rota do pacote


Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

Nível de Transporte◦ provê comunicação transparente e

confiável entre pontos finais◦ Provê ordenação


Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

Nível de Sessão◦ Noção de “período de utilização”

Tempo durante o qual um usuário interage com o sistema

Ex.: Autenticação no site do banco é válida por alguns minutos


Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

Nível de Apresentação◦ provê independência para as aplicações

em relação às diferentes formas de representação dos dados Converte dados para um formato conhecido

pelo protocolo Compressão de dados e criptografia

Nível de Aplicação◦ transferência de arquivos, e-mail◦ terminal virtual◦ serviço de diretórios


Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

Modelo de Referência OSI◦ Não obteve êxito comercial◦ Modelo Internet cresceu mais

rapidamente◦ Modelo OSI muito complexo

Primeiras versões demoraram a ser lançadas e não tinham bom desempenho

◦ Modelo Internet mais simples e eficiente


Apresentação

Sessão

Transporte

Rede

Enlace

Física

Nem sempre precisamos usar todas as camadas

O software de rede não deve exigir isso!◦ Ex.: FTP não usa criptografia, Email não usa a

noção de sessão É possível, portanto, fazer um programa

que usa diretamente a camada de rede, por exemplo

Modelo de referência OSI

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

◦ Enlace: transferência de dados entre elementos de rede vizinhos PPP, ethernet

◦ Física: bits “nos fios”

Modelo de Camadas

Aplicação

Transporte

Rede

Enlace

Física

Comunicação vertical◦ Cada nível comunica-se apenas com

camadas adjacentes◦ Dentro do mesmo dispositivo

Comunicação horizontal◦ Camadas adicionam informações de

controle no cabeçalho da mensagem (overhead)

◦ No destino, cada camada processa o cabeçalho referente a sua camada no host de origem

Modelo de Camadas

Aplicação

Transporte

Rede

Enlace

Física

Camadas: comunicação lógica

AplicaçãoTransporte

RedeEnlaceFísica


RedeEnlaceFísica


RedeEnlaceFísica


RedeEnlaceFísica

RedeEnlaceFísica

• Cada camada:– Distribuída– “Entidades”

implementam funções da camada em cada nó

– Entidades realizam ações, trocas de mensagens com pares

Camadas: comunicação lógica• Ex.: transporte

– Obtém dado da aplicação

– Inclui informação para confiabilidade

– Envia datagrama ao par

– Espera receber “ack” (confirmação) do par


RedeEnlaceFísica


RedeEnlaceFísica


RedeEnlaceFísica


RedeEnlaceFísica

RedeEnlaceFísica

dados

dados

dadosack

Camadas: comunicação física


RedeEnlaceFísica


RedeEnlaceFísica


RedeEnlaceFísica


RedeEnlaceFísica

RedeEnlaceFísica

dados

dados

Cada camada recebe dados da camada superior Acrescenta um cabeçalho com informação para criar nova

unidade de dados Passa nova unidade de dados para camada inferior

Camadas e protocolos de dados


RedeEnlaceFísica


RedeEnlaceFísica

Origem Destino

Mensagem

HtHnHl M

HtHn M

Ht M

M

HtHnHl M

HtHn M

Ht M

M

Segmento

Datagrama

Quadro

Atrasos

Visão geral de uma rede

dado

Canal de comunicação

interface interface

Transmissor ou origem

Receptor ou destino

Enquanto um pacote viaja de um nó (seja um host ou roteador) até o nó subseqüente, o pacote sofre diversos tipos diferentes de retardo (ou atraso) em cada nó ao longo do trajeto

Os mais importantes são:◦ Atraso de processamento nodal -> Dpro◦ Atraso de enfileiramento -> Dqueue◦ Atraso de transmissão -> Dtrans◦ Atraso de propagação -> Dprop◦ Atraso nodal total -> Dnodal

Atrasos

A B

Transmissão

EnfileiramentoProcessamento nodal

Propagação

Atraso de Processamento• (Dproc) Atraso de processamento: o tempo necessário para examinar o

cabeçalho do pacote e determinar onde enviar o pacote é parte do atraso de processamento

• O atraso de processamento pode também incluir outros fatores, tais como o tempo necessário para verificar se há erros eventualmente ocorridos ao transmitir os bits do pacote do host ao roteador A

• Os atrasos de processamento em roteadores de alta velocidade estão tipicamente na ordem de microssegundos ou menores. Após este processamento nodal, o roteador envia o pacote à fila que precede a ligação até o roteador B

A B

Transmissão


Propagação

Atraso de enfileiramento (ou fila)

A B

Transmissão


Propagação

• Uma vez na fila o pacote experimenta um atraso de enfileiramento Dqueue enquanto espera para ser transmitido na ligação.

• O atraso de enfileiramento de um pacote específico dependerá da quantidade de outros pacotes que chegaram anteriormente, que são enfileirados e estão aguardando a transmissão através do enlace.

• Se a fila estiver vazia e nenhum outro pacote estiver sendo transmitido no momento, então o atraso de enfileiramento do pacote é zero.

• Já se o tráfego for pesado e muitos outros pacotes também estiverem esperando para ser transmitidos, o atraso de enfileiramento será longo.

Atraso de Transmissão• O pacote só pode ser transmitido se todos os pacotes que

chegaram antes já tiverem sido transmitidos.• Tendo o comprimento do pacote representado por L bits e

considere a taxa de transmissão do enlace roteador A ao roteador B de R bits/sec

• A taxa R é determinada pela taxa de transmissão do enlace ao roteador B– Ethernet-10Mbps, a taxa é R=10 Mbps– Ethernet-100Mbps, a taxa é R=100 Mbps

• O atraso de transmissão é L/R. Esta é a quantidade de tempo necessário para transmitir todos os bits do pacote para o enlace. Na prática, os atrasos de transmissão estão tipicamente na ordem dos microsegundos ou menos.

R = banda do enlace (bps) L = tamanho do pacote (bits) Tempo para transmitir pacote no enlace = L/R

Atraso de Transmissão

Cuidado para não confundir com

atraso de propagação

A B

Transmissão


Propagação

Atraso de Propagação• (Dprop) PROPAGAÇÃO:

– Uma vez que um bit seja empurrado no link, ele necessita propagar para o roteador seguinte (B). O tempo gasto para propagar do começo do link até o router B é o atraso de propagação. Bit propaga na velocidade da propagação do link

– A velocidade de propagação depende do meio físico do link (i.e., fibra, fio de cobre....)

– O atraso da propagação é a distância entre os dois roteadores dividida pela velocidade da propagação no link. Isto é, o atraso da propagação é D/S, onde D está a uma distância entre os roteadores A e B, e S é a velocidade de propagação no link.

– Em redes WAN, os atrasos de propagação estão na ordem de milisegundos.

D = distância do enlace físico S = velocidade de propagação média

(~2x108 m/seg ~velocidade da luz) Atraso de propagação = D/S

Atraso de Propagação

A B

Transmissão


Propagação

Atraso de Transmissão x Atraso de Propagação• Importante entender a diferença entre atraso de

propagação e atraso de transmissão. A diferença é sútil, mas importante.– Atraso de transmissão: quantidade de tempo exigida para o

roteador “empurrar” o pacote. É uma função do comprimento do pacote e da taxa de transmissão do link, mas não tem relação com a distância entre dois roteadores.

– Atraso de propagação: tempo que um bit leva para propagar de um roteador ao seguinte. É uma função da distância entre os dois roteadores, mas não tem relação com o comprimento do pacote, nem com a taxa de transmissão da ligação.

Analogia da rodovia• Uma analogia pode esclarecer as noções

do atraso da transmissão e da propagação• Considere uma estrada que tenha uma

cabine de pedágio a cada 100 quilômetros.• Pensar nos segmentos da estrada entre

cabines do pedágio como links, e as cabines do pedágio como routers.

Analogia da rodovia• Suponha que os carros viajam na estrada a uma

taxa (instantânea) de 100Km/h (isto é, propagação).

• Há uma caravana de 10 carros que estão viajando juntos.

• Pensar em cada carro como um bit e o comboio como um pacote.

• Cada cabine de pedágio presta serviços para cada carro em um tempo de 12 segundos (isto é, transmite 5 carros/minuto)

Analogia da rodovia• A caravana, são os únicos carros na

estrada• Sempre que o primeiro carro da

caravana chega em uma cabine de pedágio, espera até os nove outros carros chegarem e se alinharem atrás dele (caravana inteira é “armazenada” na cabine do pedágio antes de começar a ser “enviada”)

Analogia da rodovia• O tempo necessário para a cabine do

pedágio “empurrar” (servir) a caravana inteira na estrada é:[10 carros / (5 carros/minuto)] = 2 minutos.– R = banda do enlace (bps)– L = tamanho do pacote (bits)

Este tempo é análogo ao atraso de transmissão em um roteador

Analogia da rodovia• O tempo para um carro viajar desde a

saída de uma cabine até a próxima é:– 100Km / (100Km/h) = 1hora

Este tempo é análogo ao atraso da propagação.

Atraso Nodal Total• Considerando Dproc, Dqueue, Dtrans, e Dprop denotando

respectivamente o atraso de processamento, atraso de fila, atraso de transmissão e atraso de propagação, o atraso total é dado por:

A contribuição destes componentes do atraso pode variar significativamente

proptransqueueprocnodal ddddd

Descarte de pacote• A capacidade da fila não é infinita, os pacotes se perdem• Um pacote pode chegar e encontrar uma fila cheia.

Sem lugar para armazenar tal pacote, o roteador descartará esse pacote, isto é, o pacote será perdido

• De um ponto de vista da extremidade do sistema, isto parece com um pacote que está sendo transmitido para o núcleo da rede, mas nunca emergindo da rede no destino

• A fração de pacotes perdidos aumenta enquanto a intensidade de tráfego aumenta. Consequentemente, o desempenho em um nó é medido não somente nos termos do atraso, mas também nos termos da probabilidade de perda do pacote

Atraso fim a fim• Até agora foi visto apenas o atraso nodal, istó é, o atraso em um

único roteador.• Deve-se tratar do atraso TOTAL da origem ao destino. Suponha

que há outros (Q-1) routers entre o host origem e o host destino. Suponha que:– A rede não é congestionada, os atrasos de fila são insignificantes– O atraso de processamento em cada roteador e também na origem é

Dproc– A taxa de transmissão de cada roteador e da origem é R bits/seg– O atraso de propagação entre cada nó ou roteadores, e entre o host

origem e o primeiro roteador é Dprop.– Os atrasos nodais se acumulam, resultando em um atraso fim-a-fim:

Dend-end = Q (Dproc + Dtrans + Dprop)

1.) Considere dois hosts A e B, conectados por um único enlace com taxa de R bits por segundo (b/s). Suponha que estes dois hosts estejam separados por d metros, e que a velocidade de propagação neste enlace seja de s metros por segundo. O host A tem que enviar um pacote de L bits ao host B. Pede-se:

a.) Escreva o atraso de propagação dprop em termos de d e s.b.) Determine o tempo de transmissão dtrans, em termos de L e R.c.) Ignorando os atrasos de processamento e de fila, obtenha uma

expressão para o atraso fim-a-fim, justificando-a.d.) Suponha que o host A comece a transmitir o pacote no instante t

= 0. Neste caso, no instante t = dtrans onde estará o último bit do pacote? Justifique.

e.) Suponha que dprop é MAIOR que dtrans. Onde estará o primeiro bit do pacote no instante t = dtrans ?

f.) Suponha dprop seja MENOR do que dtrans. Onde estará o primeiro bit do pacote no instante t = dtrans ?

g.) Suponha que s = 2,5 x 108 m/s, L= 100 bits e R = 28 Kbps. Para qual distância d temos dprop igual a dtrans?

Exercícios

a) dprop = (d / s ) SEGUNDOS

b) dtrans = (L / R ) SEGUNDOS

c) Uma vez que o atraso de fila e o atraso de processamento são nulos, e os hosts estão conectados por um único enlace, o atraso nodal total fim a fim será apenas a soma do atraso de propagação com o atraso de transmissão, portanto temos que Dend-end = [(L/R) + (d/s)] SEGUNDOS

d) O último bit já está no enlace, partindo do host A.

e) O primeiro bit está no enlace, no caminho entre os hosts A e B, mas ainda Não chegou em B.

f) O primeiro bit já chegou no host B.

Respostas

g) d/s = (L/R)

d/2,5x108m/s = (100b/28000b/s)

d = 2,5x108m/s / 280s

d = 250000000m / 280

d = 892857,1429m (aproxim. 893 Km)

Respostas

1.) Considere dois hosts X e Y, conectados por um único enlace com taxa de 50 Mbps. Estes dois hosts estão separados por 300 kilômetros, e a velocidade de propagação neste enlace é de 2,5 x 108 metros por segundo. O host X tem que enviar um pacote de 3 Mbits ao host B. Pede-se:

a) Qual o atraso de propagação?b) Qual o atraso de transmissão?c) Ignorando os atrasos de processamento e de fila, qual é o

atraso fim-a-fim neste caso?d) Que tamanho de pacote seria necessário para que o atraso

de transmissão fosse igual ao atraso de propagação?f ) Para qual distância d temos dprop igual a dtrans?e) Se o enlace fosse substituído por um enlace de 1Gbps,

qual seria o atraso total (desconsiderando fila e processamento)?

Exercícios

Respostas

camadas de protocolos e atrasos

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