Comunicações Digitais e Internet

Sérgio Nunes

Comunicações Digitais e InternetCiências da Comunicação, U.Porto 2012/13

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Objetivos

• Conhecer os principais meios de transmissão de dados.

• Conhecer as principais caraterísticas das redes de comunicação de dados.

• Compreender o funcionamento base das redes de comunicação de dados.

• Descrever o que é a Internet e quais são os principais serviços associados.

• Apreciar o impacto das redes de computadores na sociedade.

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Comunicações Digitais

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Redes de Computadores

• Porquê a necessidade de redes de computadores?

• Partilhar equipamentos e consequente redução de custos.

• Partilhar informação entre diferentes utilizadores.

• Problemas das redes de computadores?

• Partilha de recursos resulta em perda de autonomia.

• Ameaças à privacidade e à segurança da informação.

• Potencial perda de produtividade devido a falhas na rede.

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Transmissão de Dados

• Para transmitir informação de um computador para outro é necessário que os bits que representam a informação sejam fisicamente transportados de um sistema para o outro.

• Transmissão de dados refere-se ao conjunto de mecanismos e sistemas necessários para transportar fisicamente bits entre dois sistemas digitais.

• 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.

• Existem dois tipos de meios de transmissão, os meios terrestres eos meios aéreos.

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Meios Terrestres | Cabos Metálicos

• Com recurso a cabos metálicos, os bits são transmitidos sob a forma de impulsos elétricos.

• Este meio tem como vantagens uma boa condutividade, baixo custo efácil instalação.

• Como desvantagem existe a vulnerabilidade ao ruído eletromagnético.

Cabo coaxial Par de cobre entrançado

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Meios Terrestres | Fibra Ótica

• Com fibra ótica, os bits são transmitidos sob a forma de luz modulada.

• Este meio tem como vantagens a imunidade ao ruído eletromagnético, um elevado débito e uma baixa atenuação do sinal.

• Como desvantagens destaque para o custo dos equipamentos de interface e para a dificuldade na resolução de problemas.

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Meios Terrestres | Cabos Submarinos

http://www.submarinecablemap.com

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Meios Terrestres | Cabos Submarinos

Os cabos submarinos usam tipicamente fibra ótica para transportar os sinais. As tecnologias mais recentes são capazes de transmitir dados na ordem dos terabytes por segundo.

Do ponto de vista económico são uma das melhores soluções para longas distâncias.

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Meios de Terrestres | Cabos Submarinos

Os cabos submarinos são instalados com recurso a navios especializados. Com a ajuda de equipamentos submarinos, os cabos são enterrados no fundo dos oceanos.

Estes cabos podem atingem distâncias na ordem das dezenas de milhares de km.

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Meios Aéreos | Rádio

• É possível utilizar a radiação eletromagnética para transmitir bits recorrendo a uma determinada rádio frequência.

• Este meio tem como grande vantagem o facto de não necessitar da existência de uma ligação física direta entre os computadores.

• O espectro eletromagnético está organizado em gamas reservadas para diferentes tipos de tecnologias e aplicações. Por exemplo: rádio comercial (AM/FM), televisão, Bluetooth, Wi-Fi, GPS, micro-ondas, satélite, radar.

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Meios Aéreos | Infravermelhos

• A tecnologia de infravermelhos usa radiação eletromagnética para transmissão de dados através de curtas distâncias.

• Como vantagens, os infravermelhos têm um custo muito baixo e não requerem antenas nos equipamentos.

• Como desvantagem, a utilização desta tecnologia está limitada a distâncias curtas (inferiores a 5 metros) e sem obstáculos.

• Um exemplo popular da utilização de infravermelhos para comunicação entre dispositivos é o caso dos telecomandos dos aparelhos audiovisuais. É uma opção conveniente para a comunicação entre pequenos dispositivos.

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Meios Aéreos | Satélites

• A transmissão de dados através de satélites também recorre à radiação eletromagnética para emitir sinais.

• A principal vantagem dos satélites é a abrangência geográfica. O custo de transmissão através de satélites é independente da distância.

• As principais desvantagens desta tecnologia são o elevado custo de instalação e o atraso na propagação do sinal.

• Existem vários tipos de satélites: geoestacionários, satélites em órbita circular de baixa altitude, etc. Existem centenas de satélites de comunicação atualmente em órbita.

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Transmissão de Pacotes

• Nas redes de computadores, os dados são divididos em pequenos blocos, designados por pacotes, e enviados individualmente e independentemente através do meio de transmissão.

• Este tipo de solução designa-se por circuitos baseados na comutação de pacotes. A informação é enviada em blocos que competem pelos recursos da rede (p.e. cabos, máquinas, etc).

• Cada bloco, ou pacote, contém toda a informação necessária para permitir o correto encaminhamento através da rede.

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Vantagens | Melhor Deteção de Erros

• A divisão da informação em pequenos blocos, permite uma melhor deteção dos blocos que chegaram com ou sem erros. Em caso de se verificar algum erro, apenas é necessário reenviar o pacote com problemas e não a informação toda.

Em caso de erro, toda a informação é reenviada.

Em caso de erro, apenas o bloco com erro é reenviado.

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Vantagens | Aproveitamento dos Recursos

• A comunicação baseada na troca de pacotes, permite uma partilha equitativa dos recursos disponíveis. Os recursos (p.e. linhas, servidores) não são bloqueados por longos períodos.

x

x

Canal partilhado

A

B

C

Quando a informação é enviada de forma contínua, apenas um computador pode usar o canal de cada vez.

A

B

C

Com a informação organizada em blocos, é possível partilhar o uso do canal.

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Analogia com o Sistema Rodoviário

• Imaginar 100 automóveis que vão partir do ponto A para o ponto B.Existem duas formas de organizar esta viagem:

• Os 100 automóveis seguem em fila através do mesmo caminho.

• Cada automóvel segue o seu caminho e todos se encontram no destino.

• Qual a melhor opção?

A

B

A

B

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Comutação de Pacotes

Circuitos Fixos Circuitos Dinâmicos

• Largura de banda (bits por segundo) garantida.

• Desempenho independente da carga do sistema.

• Utilização de recursos não é optimizada.

• Largura de banda é atribuída dinamicamente.

• Permite transferências simultâneas sobre o mesmo canal.

• Maior tolerância a falhas da rede física.

• É possível haver congestionamento da rede.

• Oferece uma melhor relação custo/benefício.

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Topologia Física

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Topologia Física

• Como organizar fisicamente um conjunto de computadorespara formar uma rede?

• Ligar cada computador a todos os outros.

• Ligar cada computador a um computador central.

• Ligar cada computador ao seguinte até formar um anel.

• Ligar cada computador a um cabo central.

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Ligações Diretas

• Os primeiros computadores utilizavam ligações diretas, também designadas por ponto-a-ponto. Cada canal ligava exatamente dois computadores.

• A principal característica desta abordagem é a simplicidade.

• Os equipamentos e as normas de comunicação a usar podem ser as mais adequadas para a comunicação em particular. Apenas é necessário conseguir o acordo dos dois sistemas participantes.

• Para introduzir alterações basta o acordo dos dois intervenientes.

• É mais fácil implementar mecanismos de segurança e privacidade.

• Os desafios surgem com ligações entre mais do que 2 computadores.

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Ligações Diretas

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

(a)

(b)

(c)

Máquinas Ligações Necessárias2 13 34 65 1010 4520 19050 1225

n n2 � n

2

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Partilha do Meio Físico

• Houve uma evolução importante nos anos 60 e 70 com o desenvolvimento das redes locais — Local Area Networks (LAN).

• O conceito base reside na partilha do canal de comunicação. Como há uma 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 àquele 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 física genérica. As principais topologias são: barramento, anel e estrela.

• Cada topologia apresenta vantagens e desvantagens. As redes sem fio tendem a tornar-se as mais populares.

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Ethernet

• É a tecnologia de rede local (LAN) mais utilizada.

• Inventada no anos 70 na Xerox Parc, é atualmente uma norma controlada pelo IEEE. Utiliza uma topologia em barramento.

• A implementação original funcionava a 10 Mbps. As versões mais recentes (Gigabit Ethernet) funcionam a 1000 Mbps / 1 Gbps.

Sending computertransmits bitsof a frame

destination computerreceives a copyof each bit

Signal propagatesalong the entire

cable

Ethernet Cable (shared bus)

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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 Area Networks (LAN) — Redes que podem abranger um edifício único ou campus.

• Metropolitan Area Networks (MAN) — Redes que podem abranger uma cidade. Poucas tecnologias se enquadram nesta categoria.

• Wide Area Networs (WAN) — Redes que podem abranger múltiplas cidades, países ou continentes.

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Exemplos de Equipamentos

• Placa Rede — Processa os sinais elétricos recebidos no computador. Permite acomodar a diferença de velocidade entre a rede e o computador.

• Repetidor — Amplifica e envia todos os sinais elétricos que recebe.

• Bridge — Amplifica o sinal mas só reenvia em função dos endereços indicados nos pacotes.

• Switch — Armazena e reencaminha os pacotes. Permite criar filas de espera.

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Interligação de Redes

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Interligação de Redes

• Nenhuma tecnologia em particular é ideal para todas as situações.

• Cada tecnologia é desenhada para resolver um conjunto específico de problemas: redes de cabo, redes sem fios, redes de fibra ótica, satélites, etc.

• O conceito de interligação de redes é fundamental na comunicação entre computadores. Redes de diferentes organizações e implementadas usando tecnologias distintas devem poder comunicar.

• As tecnologias de interligação permitem, a partir da ligação de múltiplas redes físicas, criar um sistema de comunicação homogéneo.

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Interligação de Redes

• Nos anos 70, tornou-se evidente que cada rede implementada se estava a tornar uma ilha. Os computadores apenas podiam comunicar com outros dispositivos ligados à mesma rede.

• Obrigar o utilizador a recorrer a diferentes terminais para aceder a diferentes serviços resulta num decréscimo da produtividade individual.

• Um sistema de comunicação que oferece serviço universal permite que qualquer par arbitrário de computadores comunique.

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Internets

• Para ultrapassar as incompatibilidades foram desenvolvidas tecnologias que permitem fornecer um serviço universal através de redes heterogéneas.

• Esta solução tem a designação de internetworking e recorre aosuporte físico (equipamento) e ao suporte lógico (programas).

• O sistema resultante da ligação de redes físicas é conhecido como internetwork ou internet.

• Existem internets com poucas redes e internets compostas por centenas de redes físicas.

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Suporte Físico | Routers

• O equipamento base usado para ligar redes heterogéneas é o router.

• Um router é um equipamento especialmente desenhado para interligar redes. Um router pode interligar redes de diferentes tecnologias.

• O emissor cria um pacote que inclui o endereço do destino e envia-o para o router mais próximo. Os routers, com base em informação interna, reenviam o pacote ao longo da rede. Quando o pacote chega ao último router é entregue ao recetor.

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Exemplos de Routers

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Internets

• Uma internet consiste num conjunto de redes interligadas por routers.

• Para atingir o serviço universal são necessários programas informáticos que implementem os protocolos de comunicação — acordos que especificam o formato e o significado das mensagens que circulam numa rede.

• Uma internet é designada por rede virtual porque representa uma abstração. Os detalhes físicos são escondidos pelo protocolo.

• Qualquer computador ligado a uma internet consegue comunicar com qualquer outro computador que também esteja ligado à mesma internet, independentemente dos fabricantes, modelos, ou sistemas operativo usados.

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Rede Virtual

net 2

net 4

net 5

net 3

net 1

net 2

net 4

net 5

net 3

net 1

router

physical net

user’scomputers

(a)

(b)

Uma internet é vista pelos utilizadores como uma rede homogénea. Os detalhes internos são invisíveis.

Na realidade, uma internet é composta por várias pequenas redes que se interligam através de routers e se entendem usando protocolos de comunicação comuns.

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Suporte Lógico | Protocolos TCP/IP

• Os protocolos mais importantes desenvolvidos para a interligação de redes são conhecidos como Protocolos Internet ou Protocolos TCP/IP.

• O desenvolvimento destes protocolos foi iniciado nos anos 70 com apoio da ARPA. Os militares dos EUA foram das primeiras organizações a ter múltiplas redes físicas.

• A tecnologia TCP/IP tornou possível uma Internet global.

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Camadas TCP/IP

• Os protocolos TCP/IP estão organizados em cinco camadas.

• Física — Suporte físico de rede.

• Rede — Organização dos dados em pacotes e transmissão dos pacotes através de uma rede.

• Internet — Formato dos pacotes enviados através da rede, bem como os mecanismos usados para o encaminhamento.

• Transporte — Transferência fiável.

• Aplicação — Cada protocolo desta camada especifica como uma aplicação utiliza a internet.

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Família de Protocolos TCP/IP

IP

RSVPOSPFIGMPICMP

TELNETSMTPHTTPFTPBGP SNMP

TCP UDP

BGP = Border Gateway Protocol

FTP = File Transfer Protocol

HTTP = HyperText Transfer Protocol

ICMP = Internet Control Message Protocol

IGMP = Internet Group Management Protocol

IP = Internet Protocol

OSPF = Open Shortest Path First

RSVP = Resource ReSerVation Protocol

SMTP = Simple Mail Transfer Protocol

SNMP = Simple Network Management Protocol

TCP = Transmission Control Protocol

UDP = User Datagram Protocol

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Protocolo Internet (IP)

• O Protocolo Internet (Internet Protocol) tem como principal função oferecer uma rede virtual, escondendo os detalhes das redes físicas. Uma rede virtual é uma abstração criada exclusivamente por aplicações informáticas.

• O protocolo IP define dois serviços fundamentais:

• Mecanismos de endereçamento.

• Estrutura de encapsulamento dos dados (pacotes).

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Endereços IP

• O protocolo IP (v. 4) estabelece um número único de 32 bits para cada máquina designado por endereço IP.

• Cada pacote que circula na rede contém o endereço IP do emissor (origem) e do recetor (destino).

• Para facilitar a manipulação por parte de humanos, os endereços IP são representados segundo uma notação decimal separada por pontos.

• Exemplos de endereços IP: 193.137.55.13, 192.228.17.57, 8.8.8.8.

• Saber o endereço IP do computador que se está a usar:http://www.whatismyip.com

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Pacotes IP

• Para ultrapassar a heterogeneidade, os protocolos internet definem um formato universal para os pacotes, independente do suporte físico.

• Ao longo do caminho, cada router examina o pacote e, de acordo com o endereço do destino, envia-o para uma das redes a que está ligado.

• Para saber que rede escolher para cada endereço de destino, cada router mantém uma tabela de encaminhamento.

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Protocolo TCP

• O protocolo TCP oferece a entrega fiável e ordenada de pacotes entre dois pontos. É o protocolo que suporta aplicações importantes como a World Wide Web, correio eletrónico e transferência de ficheiros.

• Corrige problemas que não são tratadas pelas camadas inferiores:

• Duplicação de pacotes.

• Atrasos significativos.

• Corrupção dos dados.

• Perda de pacotes.

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A Internet

• A Internet é uma rede mundial composta pela interligação de redes de computadores dispersas pelo mundo e que tem por base o uso dos protocolos TCP/IP.

• A Internet é uma rede de redes, que é composta por redes privadas e públicas, redes governamentais, redes académicas, entre outras.

• As origens da Internet remontam aos anos 60 do século XX. Atualmente a Internet tem milhares de milhões de utilizadores por todo o mundo.

• Sobre a Internet existem dezenas de serviços em funcionamento como por exemplo o correio eletrónico ou a World Wide Web.

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Serviços de Rede

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Domain Name System (DNS)

• Os endereços IP não são adequados para manipulação direta por parte dos utilizadores. As pessoas utilizam nomes simbólicos para identificar recursos.

• Para traduzir os nomes em endereços numéricos, a Internet fornece um serviço chamado Sistema de Nomes de Domínio (DNS).

• www.icicom.up.pt → 193.137.27.121

• jpn.icicom.up.pt → 193.137.27.121

• www.up.pt → 193.137.55.13

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DNS

• Os nomes de domínios usam uma estrutura hierárquica, representada por uma sequência alfa-numérica de segmentos separados por pontos.

• O segmento mais significativo situa-se no extremo direito e é designado por domínio de nível de topo (top-level domain ou TLD).

• Os domínios de topo são controlados a nível internacional pela Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN). Em Portugal (.pt) a gestão é feita pela FCCN.

• Existem vários serviços gratuitos na web que permitem consultar informação sobre os domínios. Por exemplo: http://whois.domaintools.com

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Domínios de Nível de Topo

Genéricos Países

.com .pt (Portugal)

.net .es (Espanha)

.org .uk (Reino Unido)

.edu .ao (Angola)

.biz .br (Brasil)

.info .it (Itália)

.travel .gr (Grécia)

.pro .au (Australia)

.name .tv (Tuvalu)

.xxx .tl (Timor)

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Compra de Domínios Web

• Quem pode comprar um domínio web?

• R: Depende do domínio de topo em causa. Qualquer pessoa pode comprar um domínio .com, .net, .org, .com.pt, etc. Alguns domínios de topo têm restrições, por exemplo: a detentores de marcas registadas (.pt), a universidades ou escolas (.edu), etc.

• Quanto custa um domínio?

• R: Depende da domínio de topo em causa. É possível comprar domínios .com a 10$ por ano. Um domínio .pt custa 20€ por ano.

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Correio Eletrónico

• O correio eletrónico é um serviço da Internet que possibilita a transferência de mensagens eletrónicas entre utilizadores.

• Cada caixa de correio electrónico tem um endereço único, dividido em duas partes separadas por @. A primeira parte corresponde à identificação da caixa e a segunda parte à identificação do computador onde reside a caixa.

• Exemplo: caixa@computador joao.silva@empresa.pt

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Protocolos Correio Eletrónico

• O serviço de correio eletrónico segue uma arquitetura do tipo armazenamento-encaminhamento. Computadores dedicados a esta tarefa armazenam temporariamente as mensagens e fazem o encaminhamento.

• O encaminhamento de mensagens entre servidores de correio eletrónico é feito de acordo com o protocolo SMTP.

• Para aceder às mensagens de correio eletrónico depositadas nos servidores de correio eletrónico existem dois protocolos principais — POP e IMAP.

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Telefonia IP (VoIP)

• A Telefonia IP, ou Voz sobre IP (VoIP), é uma tecnologia que permite o fornecimento de serviços de voz, à semelhança da rede telefónica tradicional, sobre a Internet.

• A principal motivação é económica. A infraestrutura baseada na comutação de pacotes tem um custo significativamente menor do que a comutação de circuitos tradicionais.

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Transferência de Ficheiros

• Um serviço de transferência de ficheiros pode mover uma cópia de um ficheiro de um computador para outro.

• A transferência de ficheiros é complexa devido às diferenças na forma como os diferentes sistemas operativos representam os dados.

• O File Transfer Protocol (FTP) é o protocolo mais popular. Problemas de segurança têm reduzido o uso deste protocolo. O protocolo SFTP é uma alternativa segura.

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World Wide Web (WWW)

• Sistema de documentos em formato hipertexto interligados e acessíveis através da Internet.

• A identificação de cada documento é feita usando um endereço (URLs).

• protocolo://computador:porta/caminho/documento

• http://web.fe.up.pt/∼ssn/index.html

• http://www.google.com

• A transferência dos dados entre o navegador e os servidores é definida pelo protocolo HTTP da família TCP/IP.

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Sumário | Comunicações Digitais

• Existe um leque vasto de meios para a transmissão de dados organizados em 2 tipos: meios terrestres e meios aéreos.

• Nas redes de computadores, a transmissão de dados é feita em pequenos blocos e não como uma sequência contínua — comutação de pacotes por oposição à comutação de circuitos.

• É inviável ligar todos os computadores de uma rede usando ligações diretas (também designadas ligações ponto-a-ponto) — é necessário haver partilha do meio físico.

• As tecnologias de redes locais (LAN) são a forma mais popular de rede de computadores — a tecnologia Ethernet é a mais usada.

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Sumário | Interligação de Redes

• As tecnologias que permitem a interligação de redes são fundamentais para permitir a comunicação através de tecnologias diferentes.

• Uma internet corresponde a um conjunto de redes independentes interligadas por routers.

• Os protocolos de comunicação definem as regras que os vários equipamentos ligados à rede devem seguir para conseguir comunicar.

• A família de protocolos TCP/IP define um conjunto de normas para a comunicação entre computadores.

• A família de protocolos TCP/IP permite criar a ilusão de uma rede virtual sobre redes independentes e heterogéneas.

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Sumário | Interligação de Redes

• O protocolo IP fornece dois serviços fundamentais — mecanismo de endereçamento universal e normas para empacotar os dados.

• O protocolo TCP fornece o serviço de entrega fiável e ordenada de pacotes.

• O uso do protocolo TPC/IP permite que computadores de diferentes marcas ou sistemas operativos comuniquem entre si desde que estejam ligados à mesma internet.

• A Internet suporta atualmente uma grande diversidade de serviços: transferência de ficheiros, telefonia IP, web, correio eletrónico, etc.

• O DNS permite a utilização de nomes simbólicos para representar recursos na Internet.

• O mais popular serviço que funciona sobre a Internet é a World Wide Web.

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Referências

• Computer Networks and InternetsDouglas E. ComerPrentice-Hall, 2004

• Estar na InternetManuel LemosMcGraw-Hill, 1998

• Computers are Your FutureCatherine LabertaPearson Education, 2010

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