redes fixas e móveis para da dados e voz: perspectiva tecnológica · • como os componentes das...

© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 1

Mestrado em Engenhariae Gestão da Tecnologia

Pedro M. [email protected]

Redes fixas e móveis para da dados e voz:perspectiva tecnológica


AgendaTecnologias de informação e comunicação:

Apoiadas por redes de computadoresIdeias fundamentais do seu funcionamentoConceitos fundamentais de arquitecturaConceitos fundamentais de transmissão dados

Modelo OSI:Nível físico, “data link”, rede e transporte


Previsões Famosas

“I think there is a world marketfor maybe five computers”

Thomas WatsonIBM Chairman1943


Previsões Famosas

“There is no reason anyone would want a computer in their home”

Ken OlsonDEC President1977


Previsões Famosas

“640K ought to be enough for anybody”

Bill GatesCEO, Microsoft Corp.1981


Moore´s LawNa generalidade, a complexidade dos

sistemas duplica todos os anos

Gordon Moore, Intel, 1965


Comunicações de Dados


Computadores como apoio para a partilha de recursos

• Partilha de informação:– Tipos de informçaão:

• Dados críticos para a missão (e.g. simulações)• Dados utilizados frequentemente (e.g. apresentação)• Manuais de procedimentos (e.g. especificações tarefas)

– Quem acede a que informação:• Permissão de actualização (“update”)• Permissão só de escrita (“read-only”)



• Partilha de equipamentos (hardware):



• Partilha de aplicações (software):– Aplicações instaladas centralmente, acessíveis LAN– Uma única instalação central para actualizações– Configuração central e consistente do sistema– Mecanismo único de gestão de acessos

• Partilha de cópias de segurança (backups):– Cópia central automatizada– Infelizmente, ponto único de falha


Papéis dos computadores

• Clientes:– Utilizam os recursos da rede, sem fornecer recursos adicionais– Utilizam o seu sistema operativo próprio

• Servidores:– Componentes dedicados a fornecer serviços/recursos à rede– Executam e gerem os tarefas requeridas pelos clientes

• “Peers” (clientes & servidores):– Utilizam e fornecem recursos à rede– Comportam-se como servidores e como clientes


Tipos de redes de computadores

• Cliente / Servidor:– Mistura de clientes e servidores que os suportam– Servidores dedicados a classes de serviço


Tipos de redes de computadores

• “Peer to Peer”:– Rede de computadores que partilham recursos– Sem servidores dedicados


Redes baseadas no modelo cliente/servidor

• Vantagens:– Segurança central fortalecida– Centralização de serviços (e.g. file system, backup)– Gestão central do hardware e software partilhados – Optimização de servidores para serviços específicos– Possibilidade de gestão de utilizadores

• Desvantagens:– Hardware e software caros– Necessidade de administrador de rede


Redes “Peer to peer”

• Vantagens:– Fácil instalação– Inexistência de hardware ou software extra– Inexistência de administrador de rede– Utilizadores controlam uso dos recursos partilhados– Custos reduzidos para redes pequenas

• Desvantagens:– Maior carga nos computadores– Inexistência de organização centralizada– Segurança reduzida (operada por cada utilizador)– Inexistência de gestão centralizada coerente


Segurança das redes

• “Peer to peer”:– Redes menos seguras, cada recurso tem a sua password– Segurança controlada por acesso a directoria partilhada– Utilizadores gerem o acesso directo aos recursos

• Cliente / Servidor:– Utilizadores fazem “login” na rede– Permissões directas aos utilizadores individuais para acesso

definidas centralmente pelo administrador de rede


Topologia de rede

Forma como se interligam os vários equipamentosTopologia “Bus”

Componentes ligados a um tronco principalTodos os componentes recebem todas as mensagensApenas o componente destino aceita a mensagem


Topologia “Bus”

• Vantagens:– Simples, bom funcionamento em redes pequenas– De fácil utilização– Requer pouca cablagem– De fácil extensão (e.g. basta um repetidor)

• Desvantagens:– Performance piora consideravelmente com tráfego– Cada ligação reduz o sinal– Difícil de reparar


Topologia de rede

Forma como se interligam os vários equipamentosTopologia “Ring”

Cada componente liga-se aos seus vizinhosUsa-se transmissão por meio de “token”Apenas o nó com o “token” pode transmitir


Topologia “Ring”

• Vantagens:– Todos os nós têm acesso igual à rede– Funciona bem mesmo com muito tráfego

• Desvantagens:– Falha de um nó pode causar falha de toda a rede– De difícil manutenção– Adicionar ou remover nós pode parar a rede– Tipicamente mais cara do que a topologia “star”


Topologia de rede

Forma como se interligam os vários equipamentosTopologia “Star”

Componentes interligados através de nó centralCada componente comunica apenas com o nó centralNó central gere a retransmissão das mensagens


Topologia “Star”

• Vantagens:– Fácil de modificar– Fácil de diagnosticar problemas– Baixa de um computador não afecta o resto da rede– Pode utilizar múltiplos tipos de cabos

• Desvantagens:– Hub central é ponto único de falha– Topologia mais cara do que a topologia “bus”


Topologia de rede

Forma como se interligam os vários equipamentosTopologia “Mesh”

Cada par de componentes liga-se directamenteCara par de componentes comunica directamenteCada componente responsável por gerir sessões


Topologia “Mesh”

• Vantagens:– Extremamente resistente a falhas– De fácil manutenção

• Desvantagens:– Topologia que requer mais cablagem– Tipicamente a topologia mais cara


Comparativo das Topologias

CUSTOS

COMPLEXIDADE

CABLAGEM

MANUTENÇÃO

ROBUSTEZ

Menos Mais

Mais barata Mais cara

Mais difícil Mais fácil

Menor Maior

Menor Maior


Serviço da rede de computadores: encapsular tarefas de “baixo nível”

• Alguns exemplos de problemas “de rede”:– Erros ao nível dos bits: interferências eléctricas

confundem zeros e uns– Erros ao nível dos pacotes: congestionamento da rede

leva à perda de pacotes– Erros ao nível das mensagens: entregues com atrasos

excessivos e fora da ordem de envio


Taxonomia de serviços

• “Connection-Oriented”:– Caminho fim-a-fim com “controlo de qualidade”

• “Connectionless”:– Mensagens distribuídas por pacotes


Taxonomia de serviços

• “Connection-Oriented”:

• “Connectionless”:


Modelo de camadas para redes de computadores

• Modelo Open Systems Interconnection (OSI)– Desenvolvido pela Organization for Standardization– Standard globalmente aceite para modelar redes– Define regras para/sobre:

• Como os componentes das redes contactam entre si• Como os componentes das redes comunicam entre si• Quem tem o direito a utilizar os canais de transmissão• Verificação da correcção das transmissões efectuadas• Garantir que a informação é correctamente representada• Garantir que se comunica a velocidades correctas• Garantir que as redes são fisicamente interligadas


Modelo de camadas para redes de computadores


Modelo Open SystemsInterconnection

©Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 34

Modelo simplificado:Princípio da ampulheta

• Nível Internet:Comutação de pacotesServiço “connectionless”Máquinas injectampacotes para a rede quea atravessam porcaminhos independentes



• Nível Transporte:Permite que pares de máquinas estabeleçam uma ligação fim-a-fim

TCP: “connection-oriented”Comunicação sem erros de mensagens ordenadas;UDP: “connectionless”Sem controlo de fluxo, tipicamente utilizado para aplicações “real-time”


Modelo TCP/IP:Serviço fim-a-fim


Nível Físico (osi 1)

• Transmite, bit a bit as mensagens fornecidaspelo nível data link (nível 2)

• Especificações:– Interfaces mecânicas e eléctricas– Portos e fios para interligação– Níveis de voltagem (+5V e -5V)– Técnicas de codificação– Velocidade de transmissão


Transmissão de sinal


Sinais digitais

• Representam bits: estado on ou off• Transição imediata entre estados• Codificação dos dados:

– Voltagem positiva pode indicar 0, 1 ou vice-versa– Voltagem indica o valor actual dos dados


Sinais analógicos

• Representados por ondas electromagnéticas• Sinais contínuos com valores num intervalo• Características das ondas representam 0, 1• Especificações:

– Amplitude: intensidade máxima da onda– Comprimento: “distância entre duas ondas”– Frequência: número de ondas por segundo


Sinais analógicos

Wavelength

Amplitude

Frequency (cycles in 1 second)


Espectro electromagnético


Equações fundamentais

• λ = c / f– λ: comprimento de onda– c: velocidade da luz (3×108 m/seg)– F: frequência

• mdt = 2×f×log2(#níveis)– mdt: velocidade máxima de transmissão– #níveis: número de níveis a diferenciar (digital:2)– Exemplo: bandwidth=3100Hz×2×log2(16)=24800 bps


Efeitos de propagação: Atenuação

• A amplitude de um sinal gerado decai com a distância à fonte qualquer que seja o canal de comunicação utilizado


Efeitos de propagação: Atenuação


Sinais analógicos vs. digitais

• Vantagens da comunicação digital:– Mais robusto a erros de transmissão– Pode eliminar-se a distorção entre fonte e receptor

voltage

digital signal

time

analogue signal

time

voltage

time

voltage

analogue signal + noise

time

voltage

digital signal + noise


Sinais analógicos vs. digitais

• Vantagens da comunicação digital:– Pode reconstruir-se sinais parcialmente destruídos– Pode facilmente corrigir-se erros de transmissão– Pode facilmente encriptar-se as mensagens– Pode facilmente comprimir mensagens


Exemplos de canais de comunicação

• “Unshielded Twisted Pair” (UTP): pares de cobre entrelaçados revestidos por plástico



• “Shielded Twisted Pair” (STP): pares de cobre entrelaçados revestidos por alumínio



• Cabo Colaxial: dois condutores que partilham o mesmo eixo, centro axial sólido revestido pelosegundo condutor


Largura de Banda

• Capacidade de transporte de informação de um canal de comunicação (ciclos/segundo-1)

• Medido tipicamente em bits/segundo (e.g. redesEthernet têm 10 Mbps de largura de banda)


Fibras ópticas

• Lâminas muito finas de vidro• Transmitem laser por meio de reflexão total


Fibras ópticas

• Fraca atenuação com a distancia• Elevada largura de banda• Dispersão da luz:

– Diferentes particulas de luzviajam por caminhos comtamanhos diferentes. Os pulsosde luz podem misturar-se

Wavelength (microns)

1.55μband

1.30μband

0.80μband

Attenuation (dB/Km)

0.5

1.0

1.5

2.0


Redes de fibras ópticas


Comparativo de canais com fios


Comunicações sem fios

• Utilizam a atmosfera para conduzir o sinal• Tipos principais:

– Ondas de rádio– Micro-ondas (“satélites”)– Infra-vermelhos


Comunicações rádio

Baixa frequência Alta frequência

Para comunicar é necessário obter uma licença do regulador


Micro-ondas


Micro-ondas

• Principais bandas utilizadas com satélites


Aumentar a capacidade de transmissão dos canais

• Combinar vários sinais no mesmo meio de comunicação com possibilidade de distinçãoentre eles por parte do receptor


Multiplexagem

• Combinar a informação de várias fontes de dados num só canal

• Tipos de multiplexagem:– Divisão na frequência (FDM)– Divisão no tempo (TDM)– Divisão no código (CDM)


Divisão na frequência (FDM)

• O espectro da largura de banda é dividido emcanais lógicos e cadaconversa ocorre num canal dedicado (e.g. estações de rádio)

• A capacidade do sistemaé definida pela margemde segurança necessáriaentre os canais


Wavelength DivisionMultiplexing (WDM)

• Em fibras ópticas cadacanal tem um comprimentode onda diferente

• Cada utilizador usa umacor diferente

• As cores são naturalmentemisturadas e separadasatravés de prismas


Wavelength DivisionMultiplexing (WDM)


Divisão no tempo (TDM)

• A cada utilizador éatribuído um “slot” no tempo para transmitir

• Todos os utilizadoresusam o meio em“round robin”

• Se um utilizador nãodesejar transmitirpode passar-se aopróximo


Sistemas combinados

• A largura de banda de um canal de comunicação podeainda ser aumentada porexemplo utilizando FDM sobre TDM

• É atribuido um “slot” a cada grupo de utilizadores. Dentro desse “slot” cadautilizador do grupo tem associada uma frequência


Exemplos de Aplicação:Tecnologias de rede local com fios


Exemplos de Aplicação:Tecnologias de rede local com fios

λ1λ2

λ3

λ4 λ5


Nível Data Link (osi 2)

• Responsável pela comunicação eficiente e fiável sobreo nível físico, através da transmissão correcta de “frames” (sequências de bits):– Sincronização de frames:

• Identificação clara dos limites das “frames”

– Controlo de fluxo:• Garantir que a fonte transmite a uma velocidade

que o receptor pode processar

– Controlo de erros:• Detectar e corrigir erros nas transmissões

– Endereçamento:• Identificar as máquinas envolvidas na comunicação


Sincronização de “frames”

• Traduzir as sequências de bits do nível físico paragrupos de bits com significado (“frames”)

• Principal problema: identificar as fronteiras(início e fim) das “frames”

• Métodos para o fazer:– Contagem do tamanho das “frames”– Preenchimento de bits (bit stuffing)– Codificação por pulsos


Contagem do tamanho das frames

• Grande desvantagem: se a indicação do tamanho éincorrectamente transmitida perde-se por completoa sincronização entre emissor e receptor


“Bit-stuffing”

• Delimitar as “frames” através de uma “flag”:

• Problema: garantir que a “flag” delimitadora não aparece nos dados a transmitir

• Algoritmo utilizado:– Fonte insere 0 depois de cinco 1s consecutivos nos dados– O Receptor verifica se recebe cinco 1s seguidos e:

• Se o próximo bit for 0, remove este bit• Se os próximos bits forem 10, detecta-se a “flag”• Se os próximos bits forem 11, detecta-se um erro

Data01111110 01111110


“Bit-stuffing”: exemplo

• Dados a transmitir:

• Após “stuffing” e “framing”:

• Operação do receptor (sempre depois de cinco 1s):

“flag” “de-stuffing” “flag”

0110111111111100

01101111101111100001111110 01111110

01101111101111100001111110 01111110


Contagem do tamanho das frames

• Representar 1 por um pulso negativo, representar 0 porum pulso positivo. Representar o inicio e o fim das“frames” por manutenção do pulso

• Vantagem: não necessita de banda para “stuffing”


Controlo de erros

• A transmissão de “frames” pode sofrer dois tiposde erros: “frames” perdidas ou “frames”recebidas mas com bits trocados

• Métodos para controlo de erros:– “Acknowledgements”– Temporizadores– Números de sequência


“Acknowledgements”

• O receptor envia uma mensagem de controlo para o emissor quando recebe correctamente as “frames”


Temporizadores

• Ainda assim, uma “frame” perdida tem de ser re-enviada, o que acontece quando um temporizadorexpira


Números de sequência

• O sistema com re-transmissão de “frames” podetransmitir a mesma “frame” mais do que uma vez peloque as “frames” são identificadas com um número de ordem


Detecção e correcção de erros

• Método mais simples de detecção de erros por paridade:

• Exemplo de paridade “par”

• Se o receptor receber uma “frame” com um número ímparde 1s então certamente ocorreu um erro na transmissão

010011101 1


Detecção e correcção de erros

• Paridade por blocos (método mais eficaz)

1010111010001010010100111111100010001010101010000100100100010101

1010111010001010010100111111100010001010101010000100100100010101

11011111

11110001 1

1010111010000010010100111111100010001010101010000100100100010101

11011111

11110001 1


Controlo de fluxo

• Os protocolos de controlo de fluxopermitem que os receptores dasmensagens informem os emissores sobrecomo adaptar a velocidade de transmissão

• Método mais simples: stop-and-wait:– O emissor só envia mais “frames” depois

de receber “acknowledgment” de todas as “frames” previamente enviadas


Eficiência do “Stop-and-wait”

• t_prop: tempo de propagação• t_frame: tempo para transmissão• (t_ack): tempo para transmissão do ACK• Ignorando t_ack (tipicamente reduzido):

– Tempo total: 2*t_prop + t_frame– Eficiência: E=t_frame/(tempo_total)



• Exemplo #1: Canal com 4 Kbps e um atraso de propagação de 20 ms. Qual o tamanho das “frames”para garantir uma eficiência de pelo menos 50%?

• Resposta:– E=0.5=t_frame/(t_frame + 2*t_prop)– t_frame=2*t_prop=2*20 ms = 40 ms– Tamanho da “frame” = R×t_frame– Tamanho da “frame” = 4×103×40×10-3=160 bits



• Exemplo #2: Um laboratório tem 200 computadores ligados numa rede de R=10Mbps com tamanho de d=1500m. As “frames” têm L=800 bits. A velocidade de propagação neste meio é de V=2×108 m/s. Quantas “frames” pode cadacomputador transmitir por segundo?

• Resposta:– t_prop/t_frame = (d/V) /(L/R)=107×1500/800×2×108

– E=1/(1+2*t_prop/t_frame)=0.84– #frames=E×R/L=0.84*10×106/800=10500 frames/s– #frames/computador=10500/200=525 frames/s


Protocolos de janelas deslizantes

• Melhor protocolo para transmitir mensagem em redes de computadores:– Garante fiabilidade

através de acknowledges e timeouts

– Garante ordem correctadas mensagens

– Garante controlo de fluxo


Nível de Rede (osi 3)

• Responsável por:– Encaminhamento de pacotes– Controlo de congestionamento– Interligação entre diferentes redes


Encaminhamento de pacotes

• Os pacotes de informação devem partir do emissor e chegar ao receptor através de nósintermédios que os encaminham (“routers”)

• O encaminhamento de pacotes pode ser realizadosob uma de duas formas:– Circuitos virtuais– “Datagrams”


Circuitos virtuaisLigação “Connection – Oriented”


Circuitos virtuais

• É utilizado um caminho estabelecidoà partida

• Ainda assim, ospacotes têm de esperar nos “routers”

• Garante que ospacotes são entreguesao receptor na ordemcorrecta

• Útil paraconversasões longas


Encaminhamento de “datagrams”

• Cara pacote éencaminhadoindependentemente

• Não necessita de pré-definir o caminho

• Rede mais flexívelpara resposta a falhas e ataques

• Não é garantido queos pacotes cheruem aoreceptor pela ordemcorrecta


Comparação


Estratégias de encaminhamento

• Encaminhamento fixo:– todos os routers têm a mesma tabela

• Vantagem:– Simples

• Desvantagem:– Não é flexível


Encaminhamento pelo caminho mais curto


Encaminhamento adaptativo

• Estratégias de encaminhamento dinâmico que reajem àsmudanças e às condições oferecidas pela rede

• Estas estratégias:– São mais complexas– Requerem mais processamento nos “routers”

• Principalmente requerem que o estado da rede seja transmitido entre os seus nós, aumentando portanto o tráfego que deve ser transmitido


Encaminhamento adaptativo

• Dois métodos para encaminhamento dinâmico:– “Distance Vector Routing”

• Cada “router” troca as sua tabela de encaminhamento com os “routers” vizinhos periodicamente

• Cria bastante tráfego adicional na rede e as tabelas podem ficar facilmente desactualizadas

– “Link State Routing”• Cada “router” envia para todos os “routers” a sua tabela de

encaminhamento quando entra na rede• Cada “router” comunica aos outros “routers” quaisquer

alterações que existam na sua tabela de encaminhamento


Nível de rede: o nível IP

• IP: Internet Protocol, desenvolvido em 1973:– Define o tipo de “datagrams”

a utilizar na Internet– Define a forma como os

“datagrams” são transmitidos– Define o espaço de

endereçamento na Internet

Vint Cerf, Chairman ICANN


Datagram IP (cabeçalho)

Versão de IPTamanhoDatagram

Tempo de vidado datagram Endereço da

máquina deorigem

Endereço damáquina de

chegada


Nível de rede: o nível IP

• Equipamento que ao longo da redetransmite os pacotes de informação


Estrutura da rede IP


O Border Gateway Protocol (BGP)

• Permite aosISPs trocarinformação sobrea estrutura darede, tipicamentesobre acordos de interligação


Espaço de endereçamento IP

• Cada interface de uma máquina ligada à Internet possuí um endereço IP

• Endereço IP tem tipicamente 32 bits e é da forma AAA.BBB.CCC.DDD (eg. 192.136.1.252)

• O endereço IP identifica:– A sub-rede onde a interface se liga– A máquina específica dessa interface

• Os endereços IP são um recurso escasso!• Os endereços IP são atribuídos por classes


Classes de endereços IP

Poucas redesmuito grandes(256 redes)

Muitas redesmais pequenas(256 máquinas)

65000máquinas


Mobile IP

• Objectivo: permitir mobilidade às interfaces• Critérios para o desenho da solução:

– Cada máquina deve poder usar o seu endereço IP tradicional mesmo estando fora da rede habitual

– O “software” dos routers não deve ser alterado, nomeadamente na operação das máquinas fixas

– Não deve haver sobrecarga quando a máquina se encontra ligada à rede habitual

– Os pacotes para máquinas fora da rede habitual devem seguir ao máximo o caminho mais directo


Componentes do Mobile IP

Rede habitualda máquina

Router na redehabitual utilizadopara fornecermobilidade

Nova redeonde amáquinaaparece

Routerna novarede quefornecemobilidade


Funcionamento do Mobile IP

Indicaçãoexplícitado novoagente de rede

Home agentsabe que amáquina mudou-separa a rede doForeign agentO emissor

estabeleceum túneldirectamentepara a novalocalizaçãodo máquina

Pacote enviadopara o endereçotípico da máquina

É apenas necessário que quando a nova máquina se regista na nova redeo foreign agent indique o home agent que sabe onde a máquina se encontra


Nível de Transporte (osi 4)• Responsável por:

– Encaminhamento de pacotes fim-a-fim– Simula uma ligação directa emissor-receptor– Nível visível aos “developers” de aplicações


Facilidade de utilização• Os níveis mais baixos do modelo OSI são

transparentes ao nível de transporte• Ao nível do desenvolvimento das aplicações a

operação é extremamente simples:


Facilidade de utilização

Transport

Network

Data Link

Socket interface

AP

Node

Application

Creates a new end point; allocates table space for it within the transport layer (pp. 487-492)

Identification of application (port #)

Identifies the node

Frames


Protocolos de Transporte:Modelo TCP/IP

TCP, UDP

IP

WWW (HTTP)

ADSL CABO SATÉLITE

Wi-Fi


TCP vs. UDP

• TCP: Transmission Control Protocol:– “Connection-oriented”– Fiável, sem erros de transmissão, com controlo de fluxo

• UDP: User Datagram Protocol:– “Connectionless”– Sem garantias de fiabilidade, sem controlo de fluxo– Útil para transmissões onde a entrega atempada da informação é

mais importante que a sua correcção (eg. Video, Audio)


Tarefas fundamentais do TCP

• Estabelecimento de uma sessão fim-a-fim paratransmissão fiável de dados

• Garantir que os pacotes são correctamenteentregues entre a fonte e o destino

• Cada pacote é entregue uma única vez e naordem correcta

• Resultado:– O modelo TCP/IP empresta alguma qualidade à

fraca performance “BEST-EFFORT” da Internet


Protocolo TCP

• Cabeçalho do TCP:– Sequence number– Acknowledge number– Window size

• Principais características:– Controlo de fluxo – Controlo de congestionamento


Controlo de fluxo vs.Controlo de congestionamento


Curva de performance da rede

Pacotes começam a ficarnas filas de espera dos “routers”

A retransmissão de pacotesleva ao colapso total

Primeiras versões de TCP/IP (Postel, 1981)não implementavam controlo de congestionamentoe a Internet colapsou drásticamente em 1986


Controlo de congestionamento (TCP)Janela de transmissão é aumentada de 1 porcada pacote correctamente entregue ao receptoraté se atingir um nível pré-definido ou verificar-seperda de pacotes, caso em que a janela reduz-separa metade e passa a crescer linearmente


Sessão típica de TCP/IP

Crescimento exponencial inicial

Congestão atingida(reduz janela para metade)

Incremento aditivo(segunda fase)


Controlo de congestionamento (TCP)TCP é um protocolo Additive Increase Mutliplicative DecreaseTCP é um protocolo que converge para alocações eficientes e justas

Linha de eficiência: R1 + R2 = 100%

Linha de justiça: R1 = R2

R1

R2

Objectivo


Controlo de congestionamento (TCP)TCP é um protocolo Additive Increase (AI) Mutliplicative Decrease (MD)TCP é um protocolo que converge para alocações eficientes e justas

Injustiça: R1 > R2

R1

R2

CongestãoMD: janela/2

Injustiça: R2 > R1Sem congestãoAI: janela+1



X0

X1

X2

X3

X4


Próxima Sessão

Indústria dasTelecomunicações

O FuturoPróximo

Caracterizaçãodo estado actual

(Portugal, EU, EUA)PerspectivaHistórica

Conceitos fundamentais:Economias de escala

Externalidades de rede

Principais tendências:Convergência tecnológicaTecnologias emergentes


Mestrado em Engenhariae Gestão da Tecnologia

Pedro M. [email protected]

Políticas de telecomunicações e estrutura da indústria: perspectiva histórica


Alguns conceitos fundamentais de economia aplicados a redes de computadores

• Curvas de procura e de oferta• Cálculo de receitas e custos• Mercados em equilíbrio• Ineficiência dos mercados

• Tecnologias com economias de escala• Tecnologias com externalidades de rede• Monopólios naturais


Curva de procura


Curva de oferta


Mercado em equilíbrio


Receitas, custos e valor


Ineficiência do mercado


Preço de um monopolista


Custos marginais


Custos médios


Economias de escala


Monopólio natural


Regular um monopólio natural


Curva de procura comexternalidades de rede

$

0 1

P=1-s

s



$

0 1

P=1-s

P

s

P=(1-s)×s



$

0 1

P=1-s

P

s

P=(1-s)×s

MC

EquilíbrioInstável

EquilíbrioEstável


“Milestones” do desenvolvimento da indústria das telecomunicações nos EUA

• Monopólio Natural da AT&T• Aparecimento de competição a nível global• Separação da AT&T• Terminação de chamadas locais• Aparecimento de competição a nível regional• Modelos de competição local• Problemas encontrados e o fracasso dos CLECs• Tendências dos mercados globais


Indústria das telecomunicaçõesAnos 60 e 70

Central Office

Toll Office

Toll Office

Central Office

$ $


Aparecimento de competiçãoao nível global

Central Office

LATA

Toll Office

Toll Office

Central Office

PBX

PBX

Inter-Exchange Carrier


AT&T

POP POP

MCI

Central Office

LATA


Algumas formas de regulação

• Regulação tradicional:– Taxa de retorno– Preço de venda– Barreira à entrada

• Regulação estrutural:– Separação das actividades em mercados com

características de monopólio natural das actividades em mercados naturalmente competitivos


Regulação de taxa de retorno e/ou preços

• Taxa de retorno:– Aprovisionamento do serviço: C $– Preço de venda do serviço: P $– Número de períodos de análise: N– Taxa de retorno média por período: r

• P=C(1+r)N



• Taxa de retorno com vários produtos:– Despesa Operacional: DO– Quantidade vendida do produto i: Qi– Preço de venda do produto i: Pi– Capital investido: K– Taxa de retorno: r

• Receita = ∑produtos Qi.Pi = DO + r.K

• Regulação: r < r aceitável



• Dificuldades:– Qual a verdadeira estrutura de custos (DO)?– Regular taxa de retorno agregada de vários

produtos e serviços permite• “Subsidiação” cruzada (“cross-subsidy”)• Preços a baixo do custo (“predatory pricing”)

• Alternativas:– “Price caps”: um limite superior no preço de cada

produto individualmente (difícil de implementar)– Regulação estrutural


Regulação estrutural

• Acção (política, legislativa, …):– Segregar as actividades de monopólio natural daquelas

que por natureza não o são

• Objectivos:– Permitir que a competição controle os preços e a qualidade

de serviço nos mercados competitivos– Aplicar regulação no sector do monopolista natural– Impedir que um monopolista natural entre em mercados

competitivos (“cross-subsidy”, “predatoru pricing”)


Separação da AT&T (74-84):As “Baby Bells”


Preço de terminação de chamadas

Central Office

LATA

Toll Office

Toll Office

Central Office

PBX

PBX



AT&T

POP POP

MCI

Central Office

LATA

$$


Aparecimento de competiçãoao nível regional (início anos 90)

Central Office

LATA

Toll Office

Toll Office

Central Office

PBX

PBX



AT&T

POP POP

MCI

Central Office

LATA

BypassVendor

SpecialAccess


ilec´s e clec´s

Central Office

LATA

Toll Office

Toll Office

Central Office

PBX

PBX



AT&T

POP POP

MCI

Central Office

LATA

BypassVendor

SpecialAccess

Incumbent local exchange carrier

ILEC

Competitive local exchange carrier

CLEC


Competição ao nível regional:instalação paralela

Central Offices

ServiceProvider A

ServiceProvider B

Home 2

Home 1

Data Link Layer EquipmentATM, Gigabit Ethernet, SONET

Separate Networks

Network 1

Network 2


Competição ao nível regional:instalação patilhada

Central Office

ServiceProvider A

ServiceProvider B

Home 2

Home 1

Data Link Layer EquipmentNetwork

Unbundled Network Elements (UNEs)

COPPER OPTICAL FIBER


Telecom Act de 1996

• Objectivos:– abrir à competição o mercado de acesso local à infra-

estruturas de telecomunicações– deixar que, em troca, as “Baby bells” entrem no

mercado “long-distance”Regulatory Boundaries

RegulatedTelecommunications Services

(classification triggers obligations)

UnregulatedInformation Services

X.25, ATM,Frame Relay

transport

POTS/PSTN IP transport Email,Web site hosting,

Instant messaging


“Competitive Local Exchange Carriers”


O Fracasso dos clec´s

6072

13582

19653

30.9%LinhasConstruídas

69.1%LinhasRe-utilizadas (UNE)

~12%Total de linhasConsideradas

Fonte: FCC, 2001, Relatório de 94 CLECs


“Competitive Local Exchange Carriers”

10.2%20.8%6.6%CLEC

89.8%79.2%93.4%ILEC

TOTALGEs, instituições e governo

Residencial e PMEs

Quotas mercado

Fonte: FCC, 2001


O Mercado “Long-distance”

0102030405060708090

100

1984

1986

1988

1990

1992

1994

1996

1998

AT&TMCIWorldcomSprintOther

Mar

ket

Sha

re


Inovação tecnológica ao nível da capacidade de transporte

QWEST



LEVEL 3



WILLIAMS CORP.



ENRON BB


Aplicação da Lei de Mooreà largura de banda

Predicted Monthly Price for Bandwidth links betweenNYC and London for an E-3 line

0102030405060708090

100110120

Jan-99 Apr-99 Aug-99 Nov-99 Mar-00 Jun-00 Oct-00 Jan-01 May-01 Aug-01 Dec-01

Time

Pred

icte

d M

onth

ly P

rice

(Tho

usan

d U

SD)



Predicted Monthly Price for Bandwidth links betweenNYC and London for January 2000

3

9

15

21

27

5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155 165

Mbps

Pred

icte

d M

onth

ly P

rice

(Tho

usan

d U

SD)



Reservation Price for Bandwidth Auctions at Band-Xfor an E-3 link and contracts 1 year long

150

300

450

600

750

900

1 501 1001 1501 2001 2501 3001

Order Number of the Contract

Res

erva

tion

Pric

e (T

hous

and

USD

)

Box-Cox Linear

January 2001 January 2002



Reservation Price for Bandwidth Auctions at Band-X between Jan/2001 and Jan/2002

(for 1 year long contracts)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155 165

Mbps

Res

erva

tion

Pric

e (T

hous

and

USD

)

Box-Cox Log


Drástica redução dopreço das chamadas

$0.00

$0.04

$0.08

$0.12

$0.16

$0.20

$0.24

$0.28

$0.32

1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 20000%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Price (Current $) Price (Constant $)


Redução do preço ainda mais drástica:Voz sobre IP


Desenvolvimento paralelo das redes de comunicações de dados

• Desenvolvimento da Internet• NSFNET e NAPs• Passagem para o domínio comercial• O advento da World Wide Web• Acordos de interligação entre ISPs• A estrutura da Internet


ARPANET, DOD, 1969


NSFNET, 1971


NSFNET backbone, 1985


Pontos de interligação(financiamento NSF )


“Network Access Points” (NAPs)


Tráfego na NSFNET aquando da passagem para o domínio comercial


A explosão do númerode utilizadores


O advento da World Wide Web

HTTP



Wassily KandinskyComposition VIII

1923


Taxas de penetração do uso da Internet

Novembro 2005 (fonte: cypherbit)


Cada país, uma realidade:O caso de Portugal

Nível de instrução Escalões etários

Até ao 3ºCiclo (Ens. básico) Ensino Secundário Ensino Superior

50% 89% 94% 16-24 anos

931.491 376.950 46.693

13% 70% 90% 25-54 anos

3.185.834 662.015 556.218

1% 22% 51% 55-74 anos

1.910.916 87.772 115.807

Sub-totais: população 6.028.241 1.126.737 718.718

Fonte: INE, Censos 2001 e Inquérito à Utilização de Tecnologias da Informação e da Comunicação pelas Famílias 2004.


Acordos de Interligação:Peering


Acordos de Interligação:Transit


Acordos de Interligação:Transit

ISP

ISP


Acordos de Interligação entre “Internet Service Providers”


Estrutura da Internet


As tecnologias de informação e comunicação em Portugal

ANACOM, 2005

53,7%

46,3%

Por via telefonePor via cabo

46,5%

53,5%

Tem computadorNão tem computador

70,2%

29,8%

Tem internetNão tem internet

4,0%

37,9%

58,1%

Tem banda largaTem banda estreitaDesconhece o tipo de Ligação

Posse de Computador: Posse de Internet: Posse de Banda Larga: Tipo de Ligação Banda Larga:

(base: 4711- total dos inquiridos)

(base: 1354 - tem internet) (base: 794 - tem banda larga)(base: 4711- total dos inquiridos)



0,9%

1,6%

2,5%

9,7%

13,5%

27,8%

41,5%

Sem opinião

Outra razão

Tem no emprego

Não tem computador

Preço elevado

Não precisa

Não tem interesse nisso

ANACOM, 2005



92,9% 7,1%

35,1% 64,9%

43,7% 56,3%

45,4% 54,6%

30,7% 69,3%

80,2% 19,8%

75,2% 24,8%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Estudo ou investigação

Entrega de declarações de impostos

Pagamentos

Movimentações de contas bancárias

Compras

Divertimento

Download de música ou jogos

SimNão

ANACOM, 2005



22,0%

14,2%

9,4%

8,1%

3,7%

2,2%

22,7%

53,2%

64,9%

Clix

IOL

Novisnet

Cabovisão

Pt/Telepac

Netcabo

Sapo

ANACOM, 2005


Alternativas ao níveldo lacete local

• WiMax (5.8 GHz)– mobile wireless com acesso até (?)20 km– 1.5 Mbps


Alternativas ao níveldo lacete local

• Fixed Wireless Access (FWA):– Utilização de tecnologia via rádio (3500 Hz)– Transmissão até alguns Mbps (“Triple play”)


Inovação ao nível dossistemas de informação


Inovação ao nível dossistemas de informação

EGEE project: http://gridportal.hep.ph.ic.ac.uk/rtm/running_frame.html


Bibliografia:Protocolos e Tecnologias


Bibliografia: Desenvolvimento eestrutura da Internet

redes fixas e móveis para da dados e voz: perspectiva tecnológica · • como os componentes das...

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