Tele-Processamento e Redes (Redes de Computadores)
Prof. Fábio Moreira Costa
Capítulo 1
Introdução Usos de redes de computadores e suas implicações
Hardware de redes: visão geral LANs, MANs, WANs, PANs, SANs
Tecnologias de interconexão (com fio, sem fio, broadcast)
Software de redes: visão geral Protocolos de rede: hierarquias, camadas
Serviços: interfaces, primitivas, com e sem conexão
Modelos de referência: OSI, TCP/IP
Exemplos de redes e serviços de comunicação
Capítulo 1, Tanenbaum
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Comentários Iniciais
No princípio: computadores isolados, sem comunicação
Cenário intermediário: computadores (mainframes) com terminais conectados a eles através de linhas telefônicas ou canais dedicados
Relação mestre-escravo
Atualmente: convergência das tecnologias de computação e comunicações
Conectividade em rede tornou-se a regra
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Rede de Computadores
Uma coleção interconectada de computadores autônomos.
Interconectividade: computadores capazes de trocar informações
Cabo de cobre, fibra ótica, micro-ondas, satélite, etc.
Autonomia: computadores são independentes entre si
Nenhuma relação do tipo mestre-escravo: em geral, um computadore não pode controlar outros na rede
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Rede de Computadores (2)
5
[Coulouris,Dolimore&Kindberg, 2001]
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intranet
ISP
desktop computer:
backbone
satellite link
server:
network link:
Redes vs. Sistemas Distribuídos
Sistema Distribuído: mascara a existência de múltiplos computadores autônomos
Transparência: a rede se passa por um sistema computacional unificado - um uniprocessador virtual
O sistema operacional distribuído (ou middleware) se encarrega dos problemas relativos à distribuição
Rede de computadores: uso explícito dos recursos na rede
Ex.: login, acesso a arquivos remotos, disparo de processos remotos, aspectos de localização
Uma questão de software
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Usos de Redes de Computadores
Em empresas compartilhamento de recursos elevada confiabilidade e disponibilidade economia - fator custo/desempenho meio de comunicação
Indivíduos acesso a informações remotas meio de comunicação entretenimento
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Implicações Sociais
Privacidade
Segurança
Sobrecarga de informações ex.: e-mail spams
Facilidade de se publicar idéias mais quantidade do que qualidade
Questões éticas
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Algumas Novas Aplicações
Correio eletrônico
Multimídia e Hipermídia distribuída
Grupos de discussão
Teleconferência
Ensino à distância
Comércio eletrônico
Jogos interativos à distância
TV interativa9Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG
Hardware de Redes
Classificações de redes Redes de broadcast vs. ponto-a-ponto Área de cobertura da rede
Redes locais (LAN) Redes metropolitanas (MAN) Redes de longa distância (WAN) Redes de área pessoa (PAN) Redes de área de sistema (SAN)
Redes sem-fio vs. redes com fio
Inter-redes (internetworks)
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Redes de Broadcast (difusão) Todas as estações conectadas a um meio
físico compartilhado
Mensagens (pacotes) enviados por uma estação são vistas por todas as demais
Endereçamento: para destinos específicos: unicasting
Mensagens endereçadas para outras máquinas são ignoradas
para todas as estações: broadcasting para grupos de estações: multicasting
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Redes ponto-a-ponto
Conexões dedicadas interconectam pares de estações
Mensagens precisam passar por estações intermediárias até chegar ao destino
roteamento caminhos alternativos
Em geral: unicasting
Broadcasting/Multicasting: requer o envio de múltiplas mensagens
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Área de Cobertura de uma Rede
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0.1m: multiprocessadores, máquinas data flow
1m: multicomputadores
1-10m: redes de área de sistema (SAN), cluster, redes de área pessoal (PAN)
10-1000m: redes locais (LAN)
10Km: redes metropolitanas (MAN)
> 100Km: redes de longa distância (WAN), redes globais (ex.: Internet)
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Redes Locais (LAN)
Área de cobertura limitada Dentro de uma área física Dentro de uma instituição Permite suposições sobre:
atrasos de transmissão, padrões de uso Simplifica o projeto e gerenciamento
Meios de transmissão Meios compartilhados (broadcast) Cabos de cobre, fibra ótica, rádio
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Redes Locais (2)
Desempenhos típicos Taxas de transmissão: 10Mbps – 1Gbps
1 megabit = 1.000.000 bits (não 220 bits!)
Atrasos de transmissão: da ordem de dezenas de microssegundos
Taxa de erros: 10-6 – 10-9
Topologias Barramento Anel
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Redes Locais (3)
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Redes Locais (4)
Controle de acesso ao meio Estático
Reservar fatias de tempo fixas para cada estação transmitir
Dinâmico Centralizado: um nó central da rede dertermina qual
estação será a próxima a transmitir, com base em algum algoritmo de alocação
Descentralizado: cada estação decide quando transmitir ou não
Algoritmos (distribuídos) de controle de contenção
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Redes Metropolitanas
Versão ampliada de uma rede local Meio compartilhado, controle de acesso ao meio, etc
Protocolos e estruturas especiais para lidar com distâncias maiores
Tipicamente sem elementos de chaveamento Uma única rede física (ex. um par de cabos)
Atualmente: Tecnologias LAN / WAN têm ganhado terreno no
contexto de redes metropolitanas
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Redes Metropolitanas (2)
Exemplo clássico DQDB (Distributed Queue Dual Bus) – IEEE 802.6 MAN
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Redes de Longa Distância (WAN)
Extensão geográfica
Dois tipos de hardware: Hosts: processamento de aplicação
Estações de trabalho, sistemas terminais (end systems)
Sub-Rede de comunicação (subnet): dedicada à condução de mensagens entre hosts
Linhas de comunicação (canais, circuitos, troncos)
Elementos de comutação (chaveamento): computadores especializados usados para interconectar duas ou mais linhas de transmissão
Ponto-a-ponto
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WANs – Elementos de Comutação
Designações alternativas: nós de comutação de pacotes sistemas intermediários centrais de comutação de dados roteadores
Recebem dados (pacotes) por meio de uma linha de transmissão e os re-transmitem por meio de outra
Roteamento de pacotes Host de origem nós intermediários host de destino Store-and-forward, comutação de pacotes
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WANs – configuração típica
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WANs – Topologias
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Redes Sem Fio (wireless)
Mobilidade + Conectividade Dispositivos móveis
PDAs, notebooks, telefones celulares Aplicações móveis
Escritório portátil, serviços de emergência, etc...
Alternativa a redes com cabeamento Em edifícios antigos/históricos
Distâncias variadas (tecnologias diferentes) poucos metros: LANs (802.11), PANs (Bluetooth) a alguns kilômetros: WANs (sitema móvel celular)
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Redes Sem Fio (2)
Taxas de transmissão mais baixas que em redes com cabeamento
2Mbps a 11Mbps tipicamente (até 54Mbps)
Taxas de erros mais altas Interferência de sinal, caminhos múltiplos
Problemas de segurança
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Inter-Redes (Internetworking)
Conectando redes independentes e possivelmente incompatíveis para formar uma teia de redes
Gateways: resolvem as incompatibilidades (de hardware e software) entre as redes interconectadas
Conversão de protocolos, tipos de serviço, endereçamento, etc.
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Interconexão de Redes
Gateway
Rede deInterconexão
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Software de Redes
Hierarquias de protocolos e camadas
Interfaces (entre camadas ajacentes) e serviços
Serviços orientados a conexão e sem conexão
Primitivas de serviço
Serviços Vs. Protocolos
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Hierarquias de Protocolos
Objetivo: Estratificar a rede em camadas, de forma a simplificar o projeto/implementação
Uma camada utiliza serviços da camada inferior e oferece serviços para a camada superior
Camada n
Camada n-1
Requisita serviço
Fornece serviço
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Hierarquias de Protocolos (2)
Em cada máquina, o hardware/software de redes é estruturado em camadas
A camada n em uma máquina “conversa” com a camada n em outra máquina
Protocolo da camada n: acordo mútuo sobre como a comunicação deve proceder (na camada n)
Regras de formatação e tipos de pacotes, ordem dos pacotes, etc.
Detalhes de camadas inferiores são abstraídos
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Hierarquias de Protocolos (3)
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Hierarquias de Protocolos (4)
Camadas adjacentes interagem através de interfaces bem definidas
Operações e serviços que a camada inferior oferece à camada superior
Contribui para a independência entre as implementações das camadas
A implementação de uma camada pode ser substituída por outra implementação sem afetar as camadas adjacentes
Desde que a interface seja preservada!
Camada n
Camada n-1 ( )
Interface
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Hierarquias de Protocolos (5)
Arquitetura de rede: Conjunto de camadas e protocolos
Pilha de protocolos
Especificação completa para garantir a interoperabilidade de implementações diferentes com respeito ao protocolo de cada camada
Não são parte da arquitetura: Detalhes de implementação Especificação das interfaces entre camadas
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Hierarquias de Protocolos:Uma Analogia
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Hierarquia de Protocolos:Fluxo de Informações
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Camadas de Protocolos: Aspectos de Projeto
Identificação e endereçamento Transmissores e receptores
Regras de transferência de dados Simplex Half-duplex Full-duplex
Controle de erros de transmissão Protocolos para detecção e correção de erros
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t1 t2
Camadas de Protocolos: Aspectos de Projeto (2)
Ordem das mensagens Numeração seqüencial Re-ordenação
Controle de fluxo Protocolo de acknowledgement Fixar um limite à taxa de transmissão
Tamanho das mensagens aceitas pela camada Quebra e re-montagem de mensagens longas Combinação e desmembramento de msgs. curtas
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Camadas de Protocolos: Aspectos de Projeto (3)
Multiplexação Uso de uma mesma conexão para transmitir
múltiplas “conversações” entre processos diferentes
Roteamento Definir o caminho pelo qual mensagens trafegarão
para atingir o destino
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Interfaces e Serviços:Terminologia
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Interfaces e Serviços:Terminologia
Entidade da camada
n+1
Entidades pares
n+1-PDU
IDU
ICI SDU
SDU’
n-PDU
SDU”
n-PDU
SDU
Interface
ICI
IDU
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A camada n oferece um serviço à camada n+1
Serviços Orientados a Conexão
Uma conexão precisa ser estabelecida antes que mensagens individuais sejam transmitidas
A conexão permanece aberta enquanto durar a transmissão das mensagens (sessão)
A conexão é fechada quando a sessão terminar Todas as mensagens transmitidas por uma
conexão estão sujeitas ao mesmo tratamento Propriedades da conexão, rota associada, etc.
A ordem das mensagens é preservada
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Serviços sem Conexão
Cada mensagem individual é independente das demais contém o endereço completo do destino pode ser roteada por um caminho diferente
A ordem das mensagens pode ser alterada (incidentalmente)
Às vezes chamado de serviço de datagrama
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Qualidade de Serviço Confiabilidade
nível de perda e/ou “embaralhamento” de mensagens
Serviços orientados a conexão são tipicamente confiáveis neste sentido
baseados em seqüências de mensagens baseados em fluxo de bytes overhead adicional para estabelecer a conexão garantia de alta confiabilidade: acknowledgement
Embora nem toda aplicação possa aceitar o overhead
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Qualidade de Serviço (2)
Em serviços de datagrama (sem conexão) Tipicamente não confiáveis
As mensagens têm uma boa probabilidade de serem entregues ao destino, mas sem garantias
Serviço de datagrama confiável: acknowledgement Em um nível mais elevado: request-reply
Típico em sistemas cliente/servidor
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request
reply
A B
Tipos de Serviço: Resumo
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Primitivas de Serviço
Usadas pela entidade da camada n+1 para determinar a ação de serviço a ser executada pela entidade da camada provedora (n)
Classificação das primitivas comuns
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Primitiva Significado
Requisição Uma entidade requer que o serviço realize alguma tarefa
Indicação Uma entidade é informada sobre a ocorrência de um evento
Resposta Uma entidade quer responder a um evento (ou requisição)
Confirmação A resposta a uma requisição anterior foi recebida
Primitivas de Serviço - Exemplo
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CONNECT.response
CONNECT.confirm
DATA.requestDATA.indication
DATA.requestDATA.indication...
DATA.requestDATA.indication
DISCONNECT.requestDISCONNECT.indication
Computador 1 Computador 2
CONNECT.indicationCONNECT.request
Primitivas de Serviço: Visualização em Camadas
CONNECT.response
CONNECT.confirm
DATA.requestDATA.indication
DATA.requestDATA.indication...
DATA.requestDATA.indication
Computador 1 Computador 2
CONNECT.indicationCONNECT.request
camada n+1 camada n
DISCONNECT.requestDISCONNECT.indication
camada ncamada n+1
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Primitivas de Serviços
1- CONNECT.request
2- CONNECT.indication
3- CONNECT.response
4- CONNECT.confirm
5- DATA.request
6- DATA.indication
3- DISCONNECT.request
4- DISCONNECT.indication
Legenda:
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Serviços vs. Protocolos
Serviço: Conjunto de primitivas que uma camada provê para a
camada imediatamente superior Definido pela interface entre as duas camadas
Protocolo: Conjunto de regras governando o formato e o significado das
mensagens (ou quadros, ou pacotes) trocadas entre entidades pares em uma mesma camada
Relacionado com a implementação do serviço
Dois conceitos distintos/independentes
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Modelos de Referência
OSI-RM
TCP/IP
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O Modelo de Referência OSI
Padrão ISO (International Organization for Standardization)
Conexão de sistemas abertos Sistemas capazes de se comunicar utilizando
protocolos e serviços padrão (não-proprietários) Divide uma arquitetura de redes em camadas
Sete camadas no total Valor histórico-didático atualmente
Implementações não atingiram o mercado
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O Modelo de Referência OSI
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OSI: Princípios para definição das camadas
Cada camada define um nível de abstração diferente
Cada camada realiza uma função bem definida
Protocolos padronizados internacionalmente em cada camada
Minimizar o fluxo de informações entre camadas
Número de camadas Grande o suficiente para não misturar funções diferentes
Pequeno o suficiente para não dificultar o projeto e implementação de uma arquitetura de redes
OSI-RM não define uma arquitetura de redes em si Apenas a funcionalidade associada a cada camada
Padrões complementares da ISO: protocolos e serviços para as camadas
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OSI: Camada Física
Transmissão de bits “crus” em um canal de comunicação
Um bit transmitido como 1 deve ser recebido como 1 (e não 0) do outro lado do canal
Níveis de voltagem para representar 1s e 0s Duração do sinal correspondente a cada bit
Direcionalidade da transmissão Estabelecimento e término de conexões Interface física
Aspectos mecânicos, elétricos e procedurais
Meio físico de transmissão
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OSI: Camada de Enlace
Prover um canal lógico de comunicação Livre de erros não detectados
Estruturado Fluxo de dados é segmentado em quadros (frames) transmitidos
seqüencialmente
Delimitadores de início e fim de quadros Padrões de bits especiais
Com reconhecimento de quadros transmitidos/recebidos Quadros especiais de acknowledgement (ACK)
Evitar a perda de quadros
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Camada de Enlace: Problemas a serem resolvidos
Delimitação de quadros
Perda e adulteração de quadros Detecção e correção de erros
Retransmissão
Duplicação de quadros retransmitidos Ex.: se o reconhecimento de um quadro for perdido
Controle de fluxo
Transmissão eficiente de quadros de ACK Piggybacking: ACKs pegam carona em quadros transmitidos no sentido
oposto ao dos quadros sendo reconhecidos
Controle de acesso ao meio: Sub-camada MAC
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OSI: Camada de Redes Controle da operação da sub-rede
Roteamento Controle de congestionamento Contabilização de uso da rede (para efeitos de custo) Conexão de redes heterogêneas
conversão de protocolos, endereços, etc.
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OSI: Camada de Transporte
Segmentação de mensagens Em unidades (pacotes) menores que possam ser
tratadas pela camada de redes Se necessário
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Camada de Transporte
Camada de Redes
Mensagem
Pacotes
Camada de Transporte (2)
Multiplexação de várias conexões de transporte em uma única conexão da camada de redes (a)
Uso de várias conexões em nível de rede para transmitir uma única conexão de transporte (b)
Camada de Transporte
Camada de Redes
Camada de Transporte
Camada de Redes
(a) (b)Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 60
Camada de Transporte (3)
Tipo de serviço provido à camada superior Conexão ponto-a-ponto confiável (livre de erros) Datagrama (mensagens isoladas), sem garantias de
ordenação Broadcast de mensagens para múltiplos destinos
Controle de fluxo
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Camada de Transporte (4)
Comunicação fim-a-fim Entre processos localizados em máquinas diferentes
Um nível adicional de endereçamento
Host AHost B
Conexão de rede
Conexão de transporte
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