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Simulação de Redes de Comunicação de Dados

Profª. Dianne Scherly Varela de Medeiros

A Internet

O que é a Internet?

• Milhões de dispositivos conectados

Hosts (sistemas finais)

Executam aplicações de rede

• Enlaces de comunicação

Fibra, cobre, rádio, satélite

Taxa de transmissão (largura de banda)

• Encaminhadores de pacotes

Roteadores e switches

325/03/2019

wiredlinks

wirelesslinks

router

smartphone

PC

serverwirelesslaptop


• Controle de envio e recebimento de mensagens: protocolos

TCP, IP, HTTP, Skype, 802.11, MPLS, ...

• Padrões da Internet RFC: Request for

Comments

IETF: Internet Engineering Task Force

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IESG

WG


• Rede complexa composta por equipamentos de rede capazes de se comunicarem entre si

“Rede de redes”

• Interconectadas por ISPs

• Infraestrutura que fornece serviços para aplicações

Permite que aplicativos se conectem à Internet

Opções de serviço análogas ao serviço postal

Web, VoIP, e-mail, jogos, redes sociais, ...

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Complexidade da Internet

Fonte: http://www.opte.org/the-internet/


• Principais requisitos da Internet

Núcleo “simples”, borda inteligente

Conectividade deve ser garantida

• Crescimento exponencial dos usuários tornou os serviços oferecidos pela Internet em seus primórdios insuficientes

Propostas de novos protocolos e serviços para lidar com problemas não previstos inicialmente

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DNS

IPSec

DiffServ

IntServCIDR

IPMóvel

CacheFirewall

NAT

Multicast

IPv6

Ferramentas para Evolução da Internet

• Análise matemática

Poderosa, mas complexa

Modelo matemático

• Ex.: estimativa da duração de enlaces, predição de movimentação dos nós, mecanismos de filas e escalonamento, algoritmos de congestionamento, ...

Envolve teoria da probabilidade, estatística, redes complexas, sistemas dinâmicos de eventos discretos, ...

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• Simulação

Resultados obtidos não correspondem aos reais, mas podem ser aproximados

Exs.: simulação de tráfego, de topologia, de cenários, de protocolos, ...

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Objeto Real Objeto Simulado

Modelagem


• Simulação



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Modelagem


• Simulação



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Modelagem


• Análise de desempenho das novas propostas

Essencial para adoção pelos ISPs

Necessidade de ferramentas mais adequadas

• Análise + simulação são insuficientes

Propõe-se

• Emulação

• Criação de testbeds

• Análise de tráfego real

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• Análise de desempenho das novas propostas

Dificuldades

• Ambientes de experimentação flexíveis

• Ambientes de teste controlado

• Medições e análise

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Protocolos e Classificação de Redes

O que é um Protocolo?

• Conjunto de regras e procedimentos que definem:

Comunicação entre entidades

Formato, ordenação de mensagens enviadas e recebidas entre pares na rede, ações na transmissão ou recebimento de mensagens

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• Conjunto de regras e procedimentos que definem:

Comunicação entre entidades

Formato, ordenação de mensagens enviadas e recebidas entre pares na rede, ações na transmissão ou recebimento de mensagens

• Todas as comunicações na Internet são governadas por protocolos

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Hi

Hi

Got the

time?

2:00

TCP connectionresponse

<file>time

TCP connectionrequest


• Quanto mais requisitos, mais complexo o protocolo

Confiabilidade

Resiliência

Qualidade

Grupo

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Classificação das Redes de Computadores

• Extensão geográfica

Personal Area Networks (PANs): Redes pessoais

Local Area Networks (LANs): Redes locais

Metropolitan Area Networks (MANs): Redes metropolitanas

Wide Area Networks (WANs): Redes de longa distância

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PAN

LAN

MAN

WAN

Bluetooth Zigbee

NFC

Ethernet WiFi

WiMAX

ATMBackbones

ópticos

Celular

LoRa

Poucos metros

Centenas de metros

Alguns quilômetros

Dezenas/centenas de quilômetros

Classificação das Redes de Computadores

• Topologia

Estrutura física de interligação entre os equipamentos

Estrutura lógica de interligação entre os equipamentos

Custo, confiabilidade, alcance

Mais comuns

• Malha

• Estrela

• Anel

• Barramento

• Híbridas

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Topologia em Malha

• Redes de longa distância

• Maior complexidade nas decisões de encaminhamento

• Malha completa

Não há compartilhamento do meio

Não é necessário roteamento

Elevado custo

• Irregular

Arranjo de interconexões de acordo com o tráfego

Escolha de caminhos para evitar congestionamento

Necessário roteamento

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Topologia em Estrela

• Centralizada

• Decisões de encaminhamento tomadaspor um nó

• Adequada para situações em que o fluxode informação é centralizado

• Depende de um nó centro, ponto único de falha

• Redes locais

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Topologia em Anel

• Encaminhamento circular

• Uso de tokens para envio de mensagens

Não é necessário tomar decisões

• Confiabilidade da rede depende da confiabilidade individual dos nós

• Redes locais

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Topologia em Barramento

• Todos os nós escutam

Não é necessário decisões deencaminhamento

• Mecanismo de acesso ao meio é necessário

• Redes locais

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Topologia Híbrida

• Configurações híbridas

Anel-estrela

Barramento-estrela

Estrela-anel

Árvore de barramentos

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Arquitetura em CamadasModelo TCP/IP

Modelo em Camadas

• Conjunto de protocolos e camadas

• Reduz a complexidade do projeto de uma rede de comunicação

• Cada camada provê um serviço para a camada superior e esconde os detalhes da implementação do serviço

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Modelo em Camadas

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camada 𝒏

camada 𝒏 − 𝟏

camada 𝟏

meio físico

...

camada 𝒏

camada 𝒏 − 𝟏

camada 𝟏

...

Protocolo de camada 1

Protocolo de camada 2

Protocolo de camada 𝑛 − 1

Protocolo de camada 𝑛

Sistema final 1 Sistema final 2

Interface entrecamadas

Entidades pares

camada 𝟐 camada 𝟐

Modelo em Camadas

• Camadas oferecem quatro tipos de serviço

Orientado a conexão

Não orientado a conexão

Confiável

Não confiável

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Tipos de Serviço

• Orientado a conexão

Baseado no sistema telefônico

Estabelecimento de conexão

• Negociação de parâmetros: tamanho máximo da mensagem, taxa de transmissão, qualidade de serviço

Uso da conexão

Liberação da conexão

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Tipos de Serviço

• Não orientado a conexão

Baseado no sistema postal

Cada mensagem carrega o endereço de destino e de origem

Mensagens são encaminhadas por nós intermediários de forma independente

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Modelo TCP/IP

• Protocolos associados são amplamente usados

• Camadas são mais restritas do que no modelo OSI

• O modelo OSI é apenas um modelo de referência

• O modelo TCP/IP define os protocolos para cada camada

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aplicação

transporte

enlace

rede

física

Ace

sso

à r

ede

Modelo TCP/IP

• Aplicação: suporte às aplicações de rede

FTP, SMTP, HTTP, ...

• Transporte: transferência de dados entre processos (fim-a-fim)

TCP, UDP

• Rede: roteamento de datagramas da origem até o destino

IP, protocolos de roteamento

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aplicação

transporte

enlace

rede

física

Mensagens

Segmentos

Ace

sso

à r

ede

Modelo TCP/IP

• Enlace: transferência de dados entre elementos de redes adjacentes (salto-a-salto)

802.3 (Ethernet), PPP, 802.11 (WiFi)

• Física: transferência de bits no meio

Modulação e codificação

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aplicação

transporte

enlace

rede

física

Mensagens

Segmentos

Datagramas

Quadros

Ace

sso

à r

ede

Modelo TCP/IP

• Não requer estabelecimento de chamadas

• Roteamento

Distribuído

• Suporta qualquer topologia

• Distribui a carga e evita pontos de congestionamento

Adaptativo

• Permite reparar falhas de enlace

• Confiabilidade aumenta com o “tamanho” da rede (caminhos redundantes)

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Encapsulamento

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Comutação em Redes

Tipos de Comutação em Redes

• Comutação por pacotes

Típico na Internet

• Comutação por circuitos

Típico no sistema telefônico

• Comutação por rótulos

MPLS

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Comutação por Circuitos

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• Recursos dedicados fim-a-fim

Desempenho garantido

Desperdício quando o usuário não os utiliza

• Eficiência decresce com

Aumento do tempo de estabelecimento da chamada

Aumento da banda passante do canal

Diminuição do tempo de duração da chamada

• Chamada falha se um elemento do caminho falha

• Técnicas de multiplexação

FDM (frequência)

TDM (tempo)

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Comutação por Pacotes

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• Compartilhamento do meio com outros usuários

• Mensagens da aplicação são divididas em pacotes

• Pacotes são encaminhados por cada roteador, da origem ao destino, de forma independente

• Pacotes são transmitidos com a capacidade máxima do enlace, nó a nó

Transmissão demora 𝐿

𝑅segundos

• Atraso total ⇒ 𝑅𝑇𝑇 = 2 ⋅𝐿

𝑅segundos

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por enquanto....


• Esquemas

Store-and-forward: o pacote completo deve chegar ao roteador antes de ser transmitido no próximo enlace

Cut-through: à medida em que os bits chegam, vão sendo transmitidos (aguarda apenas o cabeçalho)

• Enfileiramento

Ocorre se taxa de chegada for maior do que a taxa de transmissão em um intervalo de tempo

Perda de pacotes

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• Prós Reserva de recursos

• Garantia de desempenho

• Contras Recursos ociosos

Tempo de configuração

Tipos de Comutação

• Prós Maior aproveitamento

dos recursos de rede• Mais usuários na rede

(compartilhamento)

Dados em rajada

• Contras Compartilhamento

Melhor esforço

Congestionamento

• Perdas e atrasos


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Métricas de Desempenho

Atrasos em Redes

• Enfileiramento (𝑡𝑞)

Taxa de chegada > taxa de saída

Novos pacotes são armazenados no buffer

• Se buffer cheio ⇒ joga pacote fora

Depende do congestionamento

• Processamento (𝑡𝑝𝑟𝑜𝑐) (ms)

Verificação de erros e definição do enlace de saída

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processamentoenfileiramento

A

B

Atrasos em Redes

• Transmissão (𝑡𝑡𝑥)

Tempo para enviar todos os bits do pacote

Comprimento do pacote / Largura de banda ⇒ 𝐿/𝑅

• Propagação (𝑡𝑝𝑟𝑜𝑝)

Tempo para o sinal se propagar no meio

Comprimento do enlace / velocidade de propagação ⇒ 𝑑/𝑠

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propagação


A

B

transmissão

Atrasos em Redes

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propagação


A

B

transmissão

𝑎𝑡𝑟𝑎𝑠𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑛ó = 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 + 𝑒𝑛𝑓𝑖𝑙𝑒𝑖𝑟𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 + 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑠ã𝑜 + 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑔𝑎çã𝑜

𝑡𝑛ó = 𝑡𝑝𝑟𝑜𝑐 + 𝑡𝑞 + 𝑡𝑡 + 𝑡𝑝𝑟𝑜𝑝

Perda de Pacotes

• Buffer para um enlace é finito

• Pacote que chega e encontra buffer cheio é descartado

Retransmissão pode ou não ser feita

• Nó anterior ou terminal de origem

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A

B

pacote sendo transmitido

pacote chegando em

buffer cheio é perdido

buffer

(área de espera)

Vazão

• Taxa de transferência de bits entre uma origem e um destino

Instantânea: taxa em um dado momento

Média: taxa ao longo de um intervalo

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capacidade do enlaceRs bits/s

capacidade do enlaceRc bits/s

Vazão

• Taxa de transferência de bits entre uma origem e um destino

Instantânea: taxa em um dado momento

Média: taxa ao longo de um intervalo

• Analogia: encanamentos

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servidor envia bitspelo enlace

enlace carrega os bits a uma taxa Rs bits/s

enlace carrega os bits a uma taxa Rc bits/s

Vazão

• 𝑅𝑠 < 𝑅𝑐: qual é a vazão média fim-a-fim?

• 𝑅𝑠 > 𝑅𝑐: qual é a vazão média fim-a-fim?

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Rs bits/s Rc bits/s

Rs bits/s Rc bits/s

Material Utilizado

• Notas de aula do Prof. Miguel Elias Mitre Campista disponíveis em http://www.gta.ufrj.br/~miguel/redes.2014.3.html

• Notas de aula dos Profs. Kurose e Ross disponíveis emhttp://www-net.cs.umass.edu/kurose-ross-ppt-6e/

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http://www.gta.ufrj.br/~miguel/redes.2014.3.html

http://www-net.cs.umass.edu/kurose-ross-ppt-6e/

Leitura Recomendada

• Caps. 1 e 4

Jim Kurose e Keith Ross, “Redes de Computadores e a Internet – Uma abordagem Top-Down”, 6a Edição, Ed. Pearson, 2013, ISBN 978-0-13-285620-1

• Caps. 1 e 5

Andrew S. Tanenbaum, “Redes de Computadores”, 5a Edição, Ed. Pearson, 2011, ISBN 978-0-13-212695-3

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