fundamentos de redes de computadores1 motivação: por que estudar redes? principais conquistas...

Fundamentos de Redes de ComputadoresFundamentos de Redes de Computadores 11

Motivação: Por que estudar Redes?Motivação: Por que estudar Redes?

Principais conquistas tecnológicas do século XX: aquisição, processamento, distribuição de informações. Aconteceu uma explosão no número de computadores e usuários;

Evoluindo, os sistemas da sociedade estão baseados em computação e comunicação – são inúmeros os serviços disponíveis exclusivamente na Internet ;

Século XXI (01/01/2001 a 31/12/2100): demandas cada vez mais sofisticadas.


Crescimento da Internet (1)Crescimento da Internet (1)

Contam-se os endereços IP que tem nomes atribuídos a elesContam-se os endereços IP que tem nomes atribuídos a eles(Fonte: ftp.isc.org/www/survey/reports/current/hosts.png)(Fonte: ftp.isc.org/www/survey/reports/current/hosts.png)


Crescimento da Internet (2) Crescimento da Internet (2)

Fonte: www.internetworldstats.com/stats.htmFonte: www.internetworldstats.com/stats.htm


AntesAntes

CPD: Centro de Processamento de Dados – centralizado com computadores de grande porte.

Início da década de 80: surgimento dos PCs. (ainda não em rede)


Década de 90Década de 90 Computadores autônomos interconectados; Internet tornou-se o componente central da infra-

estrutura mundial de telecomunicações: Rede de Redes. Dobra a cada 15 meses.

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HojeHoje

Estão na Internet:Praticamente todos os sistemas públicos;Sistemas comerciais de maneira cada vez mais consistente (e-commerce, m-commerce).Sistemas de comunicação pessoal e empresarial (e-mail, video-conferência, ...); Sistemas bancários.Lazer e informação...

Com cloud computing (A volta do CPD?), onde se “centralizam” aplicações, plataformas e infra-estrutura, pressupõe-se uma rede particularmente forte (robusta, segura)

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Hoje e AmanhãHoje e Amanhã

Smart cities (smart grid, smart applications...); IoT (Internet das coisas): termo usado por Kevin Ashton: “If we had computers that knew everything there was to know about things -

using data they gathered without any help from us - we would be able to track and count everything, and greatly reduce waste, loss and cost… The Internet of Things has the potential to change the world, just as the Internet did. Maybe even more so.” (1999).

Big Data: a integração dos modelos de BigData com a infraestrutura da empresa é elemento crítico para obter eficiência

Imagine uma aplicação – você pode ficar rico! Ex: chuveiro com visor de quanta água já gastou (dentro e fora do banheiro...)


Objetivo da IntroduçãoObjetivo da Introdução

• Obter contexto, terminologia, “sentimento” sobre redes.

• Apresenta-se um panorama geral das redes e da Internet, incluindo

aspectos de hardware e software.

• Apresenta-se princípios fundamentais de arquitetura

• Maior profundidade e detalhes serão vistos ao longo do curso


RoteiroRoteiro

1.1. Usos de Redes de ComputadoresUsos de Redes de Computadores2.2. Hardware de RedeHardware de Rede3.3. Software de redeSoftware de rede4.4. Modelos de ReferênciaModelos de Referência5.5. A InternetA Internet


Aplicações ComerciaisAplicações Comerciais

Cliente/Servidor Servidores: Poderosos Computadores onde os dados são

armazenados; Clientes: Máquinas mais simples que acessam os dados

remotos.

Um servidor cuida de um número grande de clientes

Empresas maiores reúnem as redes através de VPNs – Virtual Private Networks.


Aplicações DomésticasAplicações DomésticasNão-Hierárquica (Peer-to-peer)

Indivíduos constituem grupo livre que podem se comunicar com outros participantes do grupo;

Exemplo: Napster, KaZaA (neoNapster). Em 2000 teve 50 milhões de fãs, caracterizando a maior violação de direitos autorais da história.

Messenger, twitter, facebook, wiki, leilão on-line, IPTV, jogos;


Usuários MóveisUsuários Móveis

Há distinção entre redes sem fio fixas e redes sem fio móveis;

Smartphones: convergência entre telefonia e internet.

Mobile Commerce: m-commerce; (Bitcoins payment via celular?) Redes de Sensores; Computadores Embarcados (“bat-

relógio”).Computação ubíqua: computação embutida no dia-a-dia =>

redes sem fio cada vez mais importantes.


Implicações sociaisImplicações sociaisNovos problemas (sociais, morais, políticos ...):

Excesso de informações, informações sem filtro, por vezes ofensivas; Censurar? Leis conflitantes nos países. (ex: cassinos e jogadores de países diferentes).

Qual o papel dos operadores? Gmail pode ler seu e-mail... Como combater pirataria? Envio de mensagens anônimas, permite-se? Empregador pode investigar e-mail do empregado? E na

Universidade? E o Governo? Fraudes em grande escala – O crime organizado usa a

Internet. Roubo de identidade (phishing) através de coleta de dados.

Tribunais se lotam de casos.. .


RoteiroRoteiro



Hardware - TecnologiasHardware - TecnologiasHá 2 tipos de tecnologias de transmissão:

Links de difusão (Broadcast) Um canal de comunicação compartilhado por todas

as máquinas da rede – pode incluir multicast;

Links Ponto-a-Ponto A rede é feita de conexões entre pares de máquinas.

Normalmente redes menores, geograficamente próximas tendem a usar broadcast e redes maiores tendem a usar ponto-a-ponto.


EscalaEscala


PANs - Personal Area NetworksPANs - Personal Area Networks

Redes que se comunicam com o alcance de uma pessoa.

Tipicamente para conectar um computador a seus dispositivos periféricos.

Bluetooth – projeto de rede pessoal sem fio mais comum.

O PC é o mestre , os dispositivos os escravos. O mestre diz aos escravos que endereços usar, que frequência usar, quando acessar o meio e tudo o mais necessário para comunicação.


LAN – Local Area NetworksLAN – Local Area Networks

Características que a distinguem das demais: Privativas em um prédio ou campus de poucos quilômetros de

tamanho – no pior caso o tempo de transmissão é conhecido;

Tecnologia de transmissão: normalmente um switch ao qual as máquinas se conectam com alta velocidade e baixa taxa de erros ou um ponto de acesso (AP) no caso de redes sem fio do tipo WiFi;

Redes empresariais tendem a configurar VLANs (Virtual LANs) – a rede física não reflete a estrutura organizacional. Redes domésticas crescerão na medida da disponibilidade dos serviços úteis e baratos. (Serão sem fio?)


MAN – Metropolitan Area NetworksMAN – Metropolitan Area Networks

Características: Versão aumentada da LAN – normalmente usa

tecnologia similar – cobre grupo de escritórios; pública ou privada

Rede de TV a cabo. Operadoras começaram a oferecer serviços de Internet em partes não utilizadas do espectro. WiMax


WAN – Wide Area NetworksWAN – Wide Area Networks

Grandes áreas geográficas – país ou continente;Grandes áreas geográficas – país ou continente;Os hosts estão conectados por uma sub-rede de Os hosts estão conectados por uma sub-rede de

comunicação que consiste dos componentes: comunicação que consiste dos componentes: linhas de transmissão que movem os bits entre as linhas de transmissão que movem os bits entre as máquinas;máquinas; elementos de comutação – computadores elementos de comutação – computadores especializados que conectam linhas de transmissão especializados que conectam linhas de transmissão (roteadores) . (roteadores) .

Surgem ISPs Surgem ISPs (Internet Service Providers)(Internet Service Providers)Exps: Redes de satélites,Exps: Redes de satélites,Redes de celular.Redes de celular.

2121 A Camada FísicaA Camada Física

Suportes de TransmissãoSuportes de Transmissão Vários meios físicos podem ser utilizados para suportar a

transmissão. Cada um com seu delay, custo, facilidade de instalação, manutenção, largura de banda, etc.

Suportes mais comuns: Meios Magnéticos (DVDs, fitas) ->caminhonete com

fitas: menor custo, maior capacidade de transmissão (Custo fita = meio centavo por gigabyte);

Par trançado; Cabo coaxial; Meios guiados Fibra óptica; Wireless – Rádio Terrestre Satélite.


Wireless LAN Wireless LAN O princípio utilizado é a transmissão através de ondas

eletromagnéticas que se propagam no ar. O número de oscilações por segundo é a frequência, medida em Hz. O espectro eletromagnético:


Bandas ISMBandas ISMISM – Industrial, Scientific, Medical – Bandas reservadas

pelos governos para uso sem licença, regulando a potência utilizada.

•(a) Banda ISM nos EUA (a) Banda ISM nos EUA

•(b) Banda ISM no Brasil(b) Banda ISM no Brasil


Bandas ISMBandas ISM

2,4GHz2,4GHz – usadas pelo 802.11b/g5 GHz5 GHz – usadas pelo 802.11a - Ambas usadas pelo 802.11n

• Espaços vazios em Espaços vazios em 700MHz700MHz autorizados pelo FCC autorizados pelo FCC • (Federal Communications Commision) em 2009.(Federal Communications Commision) em 2009.• 60 GHz60 GHz – (logo antes do infra-vermelho) aberta – (logo antes do infra-vermelho) aberta

pelo FCC em 2001 para redes de curta distância.pelo FCC em 2001 para redes de curta distância.• Começam a ser fabricados produtos compatíveis. Começam a ser fabricados produtos compatíveis. •Estratégias para concessão de frequências:Estratégias para concessão de frequências:1.1.Concurso de beleza: Concurso de beleza: a melhor proposta leva => a melhor proposta leva => suborno, corrupção, nepotismo, etc.suborno, corrupção, nepotismo, etc.2.2.Sorteio: Sorteio: => me candidato, ganho sorteio e vendo => me candidato, ganho sorteio e vendo minha parteminha parte3.3.Leilão: Leilão: usada em praticamente todo o mundo.usada em praticamente todo o mundo.


A RNPA RNP

A RNP foi criada em 1989 pelo Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT) com o objetivo de construir uma infra-estrutura de rede Internet nacional para a comunidade acadêmica. A rede começou a ser montada em 1991. Em 94, já atingia todas as regiões do país.

Telefonia sobre a rede Internet, TV digital transmitida pela rede, educação a distância e videoconferência IP são algumas das aplicações que estão sendo implantadas.


Backbone Backbone da RNPda RNP


RoteiroRoteiro

1.1.Usos de Redes de ComputadoresUsos de Redes de Computadores2.2.Hardware de RedeHardware de Rede3.3.Software de redeSoftware de rede4.4.Modelos de ReferênciaModelos de Referência5.5.A InternetA Internet


Comutação de PacotesComutação de Pacotes

A mensagem é dividida em pacotes – mensagens de tamanho menor - cada um com seu número de seqüência.

Com esta divisão da mensagem em pacotes: Ninguém monopoliza a rede por muito tempo; Ao perder um pacote só este deve ser retransmitido,

não a mensagem inteira.

Kleinrock em 1964 publicou o primeiro trabalho sobre comutação de pacotes. (Donald Davies? Larry Roberts? Baran?)

Em 1969 supervisionou a primeira mensagem recebida no primeiro nó na Universidade da Califórnia.


Comutação de PacotesComutação de Pacotes

Roteadores normalmente interligados por rede ponto-a-ponto (store-and-forward ou comutação de pacotes): o pacote é recebido por roteador intermediário, armazenado e encaminhado quando a linha solicitada for liberada.


Atrasos e Perdas em Redes de Atrasos e Perdas em Redes de Comutação de Pacotes (Kurose) - 1Comutação de Pacotes (Kurose) - 1

Calcular o atraso no nó A (roteador)

Atraso de Processamento: Examinar cabeçalho do pacote e determinar para onde direcioná-lo; verificar erros (da ordem de microsegundos ou menos). Direcionar a fila para roteador B.

Atraso de Fila: depende da intensidade e natureza do tráfego – se fila vazia, atraso zero. (da ordem de micro a milisegundos).


Atrasos e Perdas em Redes de Atrasos e Perdas em Redes de Comutação de Pacotes (Kurose) - 2Comutação de Pacotes (Kurose) - 2

Atraso de Transmissão: tempo para “empurrar” bits para o enlace. Suponha FIFO – Considerar:R = largura de banda do link (bps)L = tamanho do pacote (bits)

Tempo para enviar bits ao link = L/R (da ordem de micro a milisegundos).

Atraso de Propagação: tempo para propagar o bit do inicio do enlace ao fim. Considerar:d = comprimento do link físicos = velocidade de propagação no meio (2x108 a 3x108 m/s – velocidade da luz em um meio)

Atraso de propagação = d/s. (em WANs da ordem de milisegundos)

proptransfilaprocno ddddd


Carro = bit; caravana = pacote Carros se “propagam” a 100 km/h Pedágios levam 12 s para atender um carro (TTransmissão). O

primeiro carro aguarda os outros 9 antes de passar.Quanto tempo levará até a caravana ser alinhada antes do 2o

pedágio? Tempo para “empurrar” a caravana toda pelo pedágio até a

estrada = 12 . 10 = 120 s = 2 min (TTransmissão) Tempo para o último carro se propagar do 1o ao 2o pedágio:

100 km/(100 km/h) = 1 h = 60 min (TPropagação)Resposta: 62 minutos

pedágiopedágiocaravana de 10 carros

100 km

100 km

Analogia da caravana (Kurose)


Atrasos de Fila (Kurose) Atrasos de Fila (Kurose) O atraso mais complicado e interessante é o atraso de fila, varia de pacote a pacote: se 10 pcs chegarem a uma fila o primeiro não espera, e o último espera 9 pcs. Usa-se estatística.

R = largura de banda do link (bps)L = tamanho do pacote (bits) (simplificação: todos tem mesmo

tamanho)a = taxa média de chegada de pacotes (pcs/sec)Taxa média com que os bits chegam a fila La bits/sec

Intensidade de tráfego = La/RLa/RLa/R ~ 0: atraso médio de fila pequenoLa/R -> 1: atraso se torna grandeLa/R > 1: mais trabalho chega do que a

capacidade de transmissão. O atraso médio cresce indefinidamente!


Largura de Banda Largura de Banda

Largura de Banda (Definição dos eletrônicos): Faixa de freqüências transmitidas sem serem fortemente atenuadas. Propriedade física do Meio de Transmissão medida em Hz.

Largura de Banda (Definição dos computeiros): taxa de dados máxima de um canal, medido em bps. É o resultado final do uso da largura de banda analógica.


Software de RedeSoftware de Rede

O software permite que a comunicação se efetive. Protocolos: Conjunto de Regras e Convenções que

permite a troca de informações.

Exemplo: Saudar uma moça americana e a Rainha da Inglaterra exige convenções diferentes.

Protocolos estruturados em camadas ou níveis: permite flexibilidade e independência na implementação das tarefas.


Comunicação em NíveisComunicação em NíveisExemplo: Conversa de filósofos

Nível 3Filósofo A: urdo e

inglêsFilósofo B: Chinês e

FrancêsNível 2Tradutores

conversam em Holandês

Nível 1Secretárias

transmitem a mensagem.


Pilha de ProtocolosPilha de Protocolos

Protocol Stack – lista de protocolos usados por um certo sistema, um protocolo por nível. A maioria dos níveis deve conter: Mecanismo para identificar origem/destino – alguma forma

de endereçamento; Regras de transferência (simplex, half, full-duplex); Controle de erros – os circuitos não são perfeitos; Sequenciamento das mensagens – a ordem não

necessariamente é preservada; Processamento de mensagens arbitrariamente longas. Controle de fluxo: evitar que o tx sature o rx. Qualidade de serviço: mecanismos para atender os

requisitos das diferentes aplicações. Confidencialidade e integridade.


Fluxo de Informações entre níveisFluxo de Informações entre níveis

Cada nível acrescenta um cabeçalho com informações de controle.

A comunicação entre processos pares é horizontal

Note que no nível 3 a mensagem que chegou ultrapassou o tamanho limite e teve que ser quebrada em duas.


Tipos de ServiçosTipos de ServiçosOs níveis podem oferecer 2 tipos de serviço aos níveis

superiores: Orientado a conexão – semelhante ao sistema telefônico:

• Estabelece a conexão (pode-se negociar parâmetros);• Utiliza a conexão estabelecida;• Libera a conexão.

Sem conexão - semelhante ao sistema postal:• Cada mensagem tem o endereço de destino completo e

cada uma é roteada pelo sistema independentemente de outra mensagem. Assim é possível que as mensagens cheguem fora de ordem.

• Chamado de serviço de datagrama.• Serviço de datagrama com confirmação = carta registrada.

Comparação envolve custo (banda e tempo) x confiabilidade.


Exemplos de ServiçoExemplos de Serviço

Variações do Serviço Orientado a conexões: Sequências de Mensagens: limites das mensagens são

preservados; Fluxo de Bytes: Sem limites de mensagens - duas mensagens de

1024 bytes podem ser agrupadas como um fluxo de 2048 bytes.Conexão não confiável: não perde tempo com confirmações


Primitivas de ServiçoPrimitivas de Serviço

Um serviço é especificado por um conjunto de primitivas (operações) disponíveis para os usuários do serviço. Normalmente são chamadas de sistema.

Uma interação cliente-servidor simples, usando datagramas confirmados:


Protocolos e ServiçosProtocolos e Serviços

Protocolos: Regras que governam o formato e significado de mensagens trocadas entre entidades parceiras dentro de um nível. (Horizontal).

Serviços: Conjunto de operações (primitivas) que um nível oferece ao nível superior. Refere-se a interface entre dois níveis, com o nível inferior sendo o provedor de serviço e o nível superior o usuário do serviço (Vertical).

Sendo desacoplados, é possível mudar um protocolo e manter os serviços. Obs: Hoje se pesquisa cross-layer


RoteiroRoteiro



Modelos de ReferênciaModelos de Referência OSI (Open System Interconnection) – década de 70 -

proposta desenvolvida pela ISO (International Standards Organization) que deu o primeiro passo rumo à padronização internacional dos protocolos; modelo bastante geral e ainda válido, embora os protocolos sejam raramente usados;

TCP/IP – Surgiu da necessidade prática de interligar redes na ARPANET (vovó de todas as redes). DoD, patrocinador da ARPANET queria uma arquitetura que mantivesse as conexões entre origem de destino mesmo em caso de perda da sub-rede; o modelo não é muito utilizado, mas os protocolos têm uso geral.


Princípios do Modelo OSIPrincípios do Modelo OSI

• Cada nível deve realizar uma função bem definida;• As fronteiras devem ser escolhidas para minimizar o

fluxo de informação entre as interfaces;• A função de cada nível deve ser escolhida visando a

definição de protocolos padronizados internacionalmente.

• O número de níveis deve ser grande o suficiente para distinguir funções que não precisem ficar juntas, e pequeno o suficiente para que a arquitetura não se torne não manipulável.


Ilustração do Modelo OSIIlustração do Modelo OSI Composto de 7 níveis:


IEEE 802 IEEE 802

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers. Os padrões da família IEEE 802 são uma restrição ao

modelo OSI, orientados a redes locais. Buscou-se correspondência com modelo OSI/ISO,

interconexão de equipamentos com custo moderado, implantação a custo moderado.


Grupos de trabalho IEEE 802Grupos de trabalho IEEE 802


Correspondência OSI - IEEE 802 Correspondência OSI - IEEE 802


Modelo TCP/IP Modelo TCP/IP O nome é derivado dos 2 principais protocolos:

IP (Internet Protocol):entregar pacotes– roteamento evitando congestionamentos

TCP/UDP (Transmission Control Protocol / User Datagram Protocol):Garantem a comunicação entre parceiros fim-a-fim.TCP – protocolo orientado a conexãoUDP – Protocolo sem conexão (não confiável).

O modelo TCP/IP foi definido pela primeira vez por Cerf e Kahn (1974) depois melhorado e definido como padrão da Internet.


Correspondência TCP/IP - OSICorrespondência TCP/IP - OSI

Modelo TCP/IP com alguns protocolos que serão estudados


Modelo HíbridoModelo Híbrido

Modelo de Referência adotado no curso CES-35


RoteiroRoteiro



Histórico da Internet (1) Histórico da Internet (1)

1950 – No auge da Guerra Fria, o DoD queria rede de controle e comando capaz de sobreviver a uma guerra nuclear;

1957 – União Soviética lançou o Sputnik, primeiro satélite artificial antes do EUA. Resposta: criação da ARPA (Advanced Research Projects Agency)

Paul Baran desenvolveu modelo robusto distribuído


Histórico da Internet Histórico da Internet 1967 – Comutação de Pacotes, idéia

anteriormente descartada, deu origem à ARPANET. Abriu-se concorrência para a construção da sub-rede (chegaram 12 propostas).

1969 – Entrou no ar uma rede experimental com 4 nós que crescia rapidamente. Para fazer parte da rede era necessário contrato de pesquisa com o DoD...

1972 – ARPANET com 15 nós;1976 - Criação do protocolo Ethernet;


Histórico da Internet - 2Histórico da Internet - 2Fim da década 1970 - Surgiram outros projetos de rede -

ARPANET chegou a 200 máquinas.

1983 – TCP/IP era o único protocolo oficial;

1988 - Criação do primeiro vírus que invadiu a ARPANET. (Especialista entediado).

Fim da década de 1980 - A NSF (National Science Foundation) desenvolveu a sucessora da ARPANET, a NSFNET aberta a grupos de pesquisa universitários. A primeira WAN TCP/IP; O contínuo crescimento mostrou que o governo não poderia financiar a rede para sempre;


Histórico da Internet - 2Histórico da Internet - 2

1990 – Criou-se a ANS (Advanced Network and Services) empresa sem fins lucrativos criada por outras empresas foi a primeira etapa em direção à comercialização. A ANS assumiu a NSFNET e formou a ANSNET; Organizações comerciais participaram pela primeira vez em 1991;

1995 – ANSNET vendida a América Online. Já diversas empresas ofereciam IP comercial. NSF contratou 4 diferentes operadoras de rede para estabelecer um NAP (Network Access Point – ponto de acesso de rede). As operadoras tiveram que competir e assim o conceito de um único backbone padrão foi substituído por uma infra-estrutura competitiva com fins lucrativos.


Histórico da Internet - 3Histórico da Internet - 3

Durante a década de 1990 – cresceram as ISPs (Internet Service Provider) que oferecem a usuários individuais a possibilidade de conectar-se a Internet.Surgiu WWW.Criaram protocolos HTTP, HTML, servidores Web, browsers

Novo Milênio - Aplicações Multimídia (Aúdio e Vídeo pela Internet), Redes sem Fio e Redes Móveis (Quero me comunicar de qualquer lugar a qualquer hora), Segurança, P2P.


Quem é quem para padrões InternetQuem é quem para padrões Internet

Termos importantes: IAB (Internet Architecture Board): comitê que supervisiona

Internet. Coordena: IRTF: Internet Research Task Force – pesquisas a longo

prazo; IETF: Internet Engineering Task Force – questões de

engenharia a curto prazo. Com vários grupos de trabalho. RFC (Request For Comment): relatórios com resultados das

especificações técnicas, estudos e resultados de investigação. Foi a forma idealizada pela ARPA para difundir os resultados de investigação e encorajar a discussão pública de projetos. As RFC's tornaram-se em termos práticos, os registros oficiais de projetos.


Visão Geral da InternetVisão Geral da Internet

DSL – Digital Subscriber Line: convertem sinais digitais em analógicos, usam a rede telefônica; conexão discada também usa rede telefônica com menor largura de banda (outro tipo de modem);

CMTS – Cable Modem Termination System – aproveitam cabos de TV;FTTH – Fiber to the Home; POP – Point of Presence – onde pacotes entram no ISP;IXP – Internet eXchange Points: onde ISPs trocam tráfego (também

chamado NAP – Network Access Points).

fundamentos de redes de computadores1 motivação: por que estudar redes? principais conquistas...

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