Conceitos Básicos em Redes de Comunicação

(1)

Universidade Federal de Ouro Preto

Conceitos Básicos em

Redes de Comunicação

Referência:

(2)

2 _{CEA510: Prof. Marlon Paolo}

Conceitos básicos

• Quais os principais requisitos para se projetar

uma rede eficiente?

• Conectividade

• Redes limitadas /privadas

• Redes escalares (Internet)

• Compartilhamento econômico de recursos

• Servidores, largura de banda, impressoras

(3)

Conceitos básicos

• Quais os principais requisitos para se projetar

uma rede eficiente?

• Suporte a serviços

• Diversas aplicações, cada uma oferecendo um tipo

de serviço

• Programas “rodando” nos hosts, se comunicando

em rede

(4)

Aplicações

• A maioria das pessoas conhecem a Internet através das

aplicações

(e são muitas).

• Correio eletrônico, World Wide Web, compartilhamento de músicas, streaming de vídeo, programas mensageiros.

• Em um simples acesso à uma URL na WEB, várias mensagens são trocadas pela Internet.

• O projeto da Internet é complexo_…

(5)

Redes de Comunicação

estações

nós

rede

⇒

enlaces

(linhas)

•

Finalidade: possibilitar a comunicação entre as estações.

→

WAN - cobre grandes distâncias (exemplo: a Internet);

→ LAN - tem alcance restrito (exemplo: redes Ethernet).

(6)

Construindo Redes

• Compartilhando um único enlace:

⇒

ponto a ponto

⇒

acesso múltiplo

■■■

como na Ethernet original;

(7)

• Se as redes forem limitadas a situações em que os nós são

conectados diretamentes um a outro por um meio físico

comum:

• O número de nós seriam muito limitados

• O númeo de fios de cada nó rápidamente se tornaria incontrolável.

• Felizmente pode haver uma comunicação indireta, através

de uma rede comutada.

• Os tipos mais comuns de redes comutadas são:

• Comutação de circuitos

• Comutação de pacotes (+ eficiente)

(8)

• Os nós de uma Rede de Computador enviam blocos de

dados um para o outro.

• Pense nos blocos de dados como parte dos dados de uma aplicação, como um arquivo, ou parte do texto de um e-mail.

• Esses blocos são chamados de mensagens ou pacotes.

• As redes de comutação utilizam a estratégia armazenar e

encaminhar.

• Recebe o pacote por completo de algum enlace, armazena em sua memória, depois encaminha o pacote completo para o próximo nó.

(9)

Construindo Redes Comutadas

• Usando comutação de pacotes:

-

ligando-se dois ou mais nós

através de switches:

estação

switch

rede

-

ou ligando-se duas ou mais

redes através de roteadores:

estação

rede

roteador

(10)

• Só porque 2 ou mais nós estão conectados quer dizer que

eles podem se comunicar.

• É necessário um endereço para os host conseguirem se comunicar, além de suporte a um sistema.

• Se um host A precisa enviar uma mensagem para B, ele deve especificar o endereço do nó destino.

Construindo Redes Comutadas

•

Endereço:

seqüência de bytes que identifica um nó

(unicast, broadcast, multicast).

•

Roteamento:

processo de encaminhar pacotes ao nó de

(11)

Construindo Redes Comutadas

•

Multiplexação:

cria vários canais em um mesmo meio

físico (por divisão em freqüência ou no tempo).

multiplexador

■■■

• Uma rede de comutação de pacotes é eficiente!

• O recurso é compartilhado entre os diversos usuários.

• Analogia: computador de tempo compartilhado.

(12)

• A remessa confiável das mensagens é uma das funções

mais importantes que uma rede pode oferecer.

• Porém

_…

• É difícil determinar como oferecer

essa confiabilidade sem entender como as redes podem falhar!

• As redes de computadores

não existem em um mundo

perfeito!

(13)

Confiabilidade

• O que pode sair errado na rede?

-

erros

em nível de bit (por interferência elétrica);

-

perdas

de pacotes (por falta de espaço em buffer);

-

falhas

em enlaces e falhas em nós.

• Além disso:

-

pacotes podem chegar

atrasados

;

(14)

(15)

Comutação e Encaminhamento

•

Switch - elemento comutador

-

encaminha pacotes da porta de entrada para porta de saída

-

porta selecionada com base no endereço no cabeçalho do

pacote

switch host

Portas Portas

de de

entrada saída

Topologia em estrela

-

Mecanismo que permite interconectar enlaces para formar

(16)

• Mesmo o switch tendo um número fixo de portas, grandes redes podem ser construídas pela interconexão de diversos switches.

• Isso permite montar redes de grande escopo geográfico.

• O acréscimo de mais um host não necessariamente significa que o desempenho da rede irá piorar.

• Como o switch decide em que porta de saída colocar cada

pacote???

• Ele examina o cabeçalho do pacote para tomar a decisão.

Comutação e Encaminhamento

(17)

• A idéia do datagrama é incrivelmente simples:

• Você apenas certifica que cada pacote contenha informações suficientes para permitir que qualquer switch decida como levá-lo ao destino.

• Cada pacote contém o endereço de destino completo.

• Cada pacote é encaminhado independentemente.

• Sem fase de estabelecimento de conexão.

(18)

Comutação - Datagramas

•

Analogia: sistema postal

•

Cada switch mantém uma tabela de encaminhamento

(roteamento)

Tabela de encaminhamento (switch 1)

Address Port

A

2 C

3 F

1 G

1 …

…

3

Host C

Host D

0 Switch 1

1

2 3

Host A

Host E

Host F

2 Switch 2

1

0

Host G 0 Switch 3 Host B

1 3 2

(19)

• É fácil construir essa tabela quando você tem o mapa

completo de uma rede simples.

• Difícil é criar as tabelas de encaminhamento em redes

grandes e complexas e com topologia dinâmica

_…

• Esse problema difícil é chamado de roteamento.

• As redes de datagrama são também chamadas de redes

sem conexões.

(20)

Modelo Datagrama

• Não existe um retardo de ida e volta esperando pelo estabelecimento da conexão;

* um host pode enviar dados assim que estiverem prontos.

• O host de origem não tem como saber se a rede é capaz de entregar um pacote ou se o host de destino está ativo.

• Pacotes são tratados independentemente, assim dois pacotes podem seguir caminhos completamente diferentes.

• Como cada pacote precisa transportar o endereço inteiro do destino, o overhead por pacote é maior do que para o modelo orientado a

(21)

Modelo Datagrama

•

É possível contornar as falhas de enlace e nó, encontrando

uma rota alternativa.

• Esse foi um dos objetivos importantes da ARPANET,

precussora da Internet.

(22)

Comutação - Circuito Virtual

• Fases de estabelecimento e encerramento explícitos da conexão

• Pacotes subseqüentes seguem o mesmo percurso • Às vezes chamado modelo orientado a conexão • Analogia: ligação telefônica

• Cada switch mantém uma tabela VC (Virtual Circuits)

0

Tabela VC (switch 1, porta 2)

VC In VC Out Port Out

5 11 1

6 8 1

… … …

0

3 1

Switch 1 2

5

Host A

0

11 3

2

7

3 1

1

Switch 2 2

0 _{Switch 3}

3 1

Host B 4

(23)

Modelo Circuito Virtual

• Normalmente espera RTT completo para o estabelecimento da conexão antes de enviar primeiro pacote de dados.

• Embora a solicitação de conexão tenha o endereço completo do destino, cada pacote de dados contém apenas 1 identificador, tornando pequeno o overhead de cabeçalho por pacote.

• Se um switch ou um enlace de uma conexão falhar, a conexão é interrompida e uma nova precisa ser estabelecida.

(24)

Universidade Federal de Ouro Preto

Arquiteturas de

Redes de Comunicação

Referência:

(25)

A comunicação é entre aplicações!

•

Cada

aplicação

é um programa executando em um computador

(host)

.

•

A comunicação ocorre entre uma

aplicação

em um computador

e outra

aplicação

em outro computador (e não entre os

computadores em si!).

Host

Host Aplicação

Canal Host

Aplicação

(26)

•

As redes não permanecem fixas em um único ponto no tempo,

e precisam evoluir:

• acomodar as mudanças nas tecnologias

• mudanças impostas sobre elas pelos programas de aplicação

• Para dar suporte a esta evolução, os projetistas de redes as desenvolveram em camadas.

• Uso de camadas oferece 2 recursos interessantes:

• Decompõe o problema da estrutura da rede em componentes de

controle mais fácil;

• Oferece um projeto mais modular (útil se for alterar/acrescentar algum serviço).

(27)

Arquitetura de Redes

•

Arquitetura = organização da rede:

-

usa abstrações para ocultar a complexidade;

-

estruturada em camadas funcionais .

•

Protocolo:

conjunto de regras de comunicação (e sua implementação).

Host 1 Host 2

Interface de

Aplicação _serviço _Aplicação

Protocolo _Interface Protocolo

(28)

Encapsulamento

•

Cada camada acrescenta um cabeçalho aos dados que

recebeu da camada acima

•

O conjunto cabeçalho+dados é passado à camada abaixo

.

Host Host

Aplicação Aplicação

Dados Dados

Transporte Transporte

CabT Dados CabT Dados

Rede Rede

CabR CabT Dados CabR CabT Dados

Rede

(29)

ISO Open Systems Interconnection

(OSI) Reference Model (1979)

Host inicial Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace de dados Física

Nó da rede Nó da rede

Rede Rede

Enlace Enlace de dados de dados

Física Física

(30)

Arquitetura da Internet

• Definida pela Internet Engineering Task Force (

IETF

).

•

Tem 5 camadas:

aplicações, transporte, rede, enlace, física.

aplicações SMTP FTP HTTP DNS DHCP VoIP

transporte _TCP

inter-rede

enlace

UDP

IP ICMP

■■■

física

NET1 NET 2

FIS 1 FIS 2

NETn

■■■

(31)

Redes Locais

Referência:

Redes de Computadores. L. L. Peterson e B. S. Davie. Ed. Campus, 2004. Seções: 2.6, 2.8, 3.2

(32)

Redes Locais

Rede Local (

Local Area Network

- LAN):

• propriedade, uso e gerência são privados;

• área geográfica restrita (prédio, armazém, campus);

• originalmente: compartilhamento de meio físico, com

topologias em barramento, anel ou estrela;

• atualmente: comutação (

switching

);

• controle distribuído;

• broadcasting

nativo;

• não oferece privacidade;

• meios físicos: par trançado, coaxial, fibra óptica, rádio

(33)

Redes Locais - Arquitetura de Protocolos

Nível de Enlace (

Medium Access Control

- MAC):

• enquadramento;

• sincronismo de quadro;

• endereçamento;

• detecção de erros com descarte de quadros;

• controle de acesso ao meio;

(34)

Ethernet

Tecnologia Ethernet:

•

criada em 1973 por Robert Metcalfe, no Centro de

Pesquisas da Xerox em Palo Alto (PARC), USA;

•

inspirada na rede de pacotes via rádio Aloha

•

padronizações:

DIX (Digital-Intel-Xerox, 1978) e

IEEE 802.3 (1985);

•

meios físicos:

cabo coaxial, par trançado, fibra óptica;

•

Mais bem sucedida tecnologia de rede local dos

(35)

• Projeto experimental chamado _{de “Network Alto Aloha”,}

• Modificado para “ethernet”, para deixar claro que este padrão pode

suportar qualquer computador e para mostrar que pode ser desenvolvido fora dos laboratórios de Palo Alto.

• O meio físico transporta os bits para todas estações, assim como o velho "éter luminífero”, que se acreditava ocorria a propagação das ondas eletromagnéticas.

Ethernet

(36)

Ethernet

Tecnologia Ethernet:

•

larguras de banda: 10, 100, 1000 e 10000 Mbps;

•

topologias: barramento (original), estrela (atual);

•

controle de acesso ao meio: estatístico, via CSMA-CD.

•

Um conjunto de nós envia e recebe dados por um enlace de dados

compartilhados.

(37)

Estrutura do quadro Ethernet

Adaptador encapsula datagrama IP (ou outro pacote de protocolo da camada de rede) no quadro Ethernet

1

• Endereços: 6 bytes

• se adaptador recebe quadro com endereço de destino combinando, ou com endereço de broadcast (p. e., pacote ARP), passa dados do quadro ao protocolo da camada de rede.

• caso contrário, adaptador descarta quadro.

• Tipo: indica protocolo da camada mais alta (principalmente IP, mas outros são possíveis, p. e., Novell IPX, AppleTalk)

(38)

CSMA-CD

Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection

:

• Responsabilidade da camada MAC.

• Implementada no hardware.

Funcionamento:

1- escuta;

2- se ocupado, então volta a escutar (passo 1);

3- se livre, então transmite;

4- enquanto transmite, escuta para detectar colisão;

5- se houve colisão, pára, espera um tempo aleatório e tenta

novamente (passo 1);

(39)

Ethernet: não confiável, sem conexão

• sem conexão: sem apresentação entre NICs de origem e destino.

• não confiável: NIC de destino não envia confirmações ou não confirmações à NIC de origem.

• fluxo de datagramas passados à camada de rede pode ter lacunas (datagramas faltando);

• lacunas serão preenchidas se aplicação estiver usando TCP

• caso contrário, aplicação verá lacunas.

(40)

Interconexão de LANs

LANs possuem limitações físicas (p. ex., em Ethernet com

par trançado, a máxima distância entre estações é 200 m).

Soluções para interconectar duas ou mais LANs:

-

usar repetidores (misturam o tráfego das LANs);

-

usar pontes

(

bridges

) ou switch LAN:

•

isolam tráfego entre LANs;

•

estratégia

de “

armazenar e re-encaminhar

”;

•

trabalham no nível 2 (analisam cabeçalho de

quadros);

(41)

• Em termos funcionais, um switch é uma bridge melhorada (com

aceleração em Hardware).

• Hoje não utilizado Bridges com frequência.

• Na bridge, a implementação / inteligência é via software, no switch

é via Hardware;

• Switch não utiliza meio compartilhado.

(42)

Switch

PROCESSADOR DE CONTROLE

TRAMA DO

PORTAS SWITCH _PORTAS

DE _DE

ENTRADA _SAÍDA

Switch é uma ponte com a parte principal da

(43)

Switch - trama crossbar

UM SWITCH CRUZADO (TRAMA CROSSBAR)

4 x 4

(44)

Exemplo: variantes da Ethernet

TIPO TAXA TOPOL. MEIO DMÁX

10BASE5 10 Mbps bus coax. grosso 5 segmentos de 500 m

10BASE2 10 Mbps bus coax. fino 5 segmentos de 185 m

10BASE-T 10 Mbps star UTP cat. 3 100 m estação a hub/sw

10BASE-FP 10 Mbps star fibra óptica 500 m estação a hub/sw

100BASE-TX 100 Mbps star UTP cat. 5 100 m estação a hub/sw

100BASE-FX 100 Mbps star fibra óptica 100 m estação a hub/sw

1000BASE-T 1 Gbps star UTP cat. 5 100 m estação a switch

1000BASE-SX 1 Gbps star fibra óptica 550 m estação a switch

1000BASE-LX 1 Gbps star fibra óptica 5 km estação a switch

A C B A C B

- - - Cabo - meio compartilhado - - -

(topologia em barramento - bus) _{Hub - meio compartilhado}

ou Switch - comutação

(45)

(46)

Redes Locais Sem Fio (WLANs)

•

Padrão IEEE 802.11

-

Larguras de banda: 1, 2, 11 e 54 Mbps.

-

Meios físicos:

•

infra-vermelho de difusão (alcance de 10 a 20 m);

•

rádio em espectro aberto (faixas em 2,4 GHz e 5 GHz):

- sinal espalhado por uma faixa de freqüências bem maior que

a original (spread spectrum, espectro espalhado);

- criado inicialmente para impedir a obstrução da transmissão

por interferência intencional e dificultar a recepção por interceptadores;

- reduz o efeito da recepção em múltiplos caminhos;

- aumenta a capacidade de transmissão;

(47)

Estrutura

•

Caso 1: rede

ad hoc

-

estações dão passagem a transmissões de outras

estações.

•

Caso 2: rede estruturada

-

estações amarradas a um Ponto de Acesso (AP);

-

APs se comunicam via um Sistema de Distribuição.

Sistema de distribuição

AP-1 AP-3

AP-2 F

A B G

H

C E

(48)

A família IEEE 802.11

–

802.11: (1997) FHSS ou DSSS em 2,4 GHz / 1 e 2 Mbps; – 802.11b: (1999) DSSS em 2,4 GHz / até 11 Mbps;

– 802.11a: (1999-2002) OFDM em 5 GHz / até 54 Mbps; – 802.11g: (2003) DSSS e OFDM em 2,4 GHz / até 54 Mbps

– 802.11n: (2007-2008) DSSS, OFDM e MIMO em 2,4 GHz e 5 GHz / até 600 Mbps

– 802.11ac: (2013-2014) DSSS, OFDM e MIMO em 5 GHz / até 1,3 Gbps

(49)

Comparação:

– Interferência maior em 2,4 GHz (telefones sem-fio, bluetooth e forno de microondas).

– Alcance menor em 5 GHz.

– 802.11g é compatível com 802.11b (c/ redução para 802.11b).

– 802.11n é compatível com 802.11a, b e g (c/ redução de velocidade).

(50)

Comparação entre os padrões WLan

(51)

Controle de Acesso ao Meio

• Detecção de colisões em redes sem fio mais complicado que

nas redes cabeadas



complexidade do ambiente sem fio.

• Protocolo CSMA/CD (

Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection

),

utilizado pelo 802.3, não foi adotado nas redes Wireless.

• Rede cabeada: todas estações fisicamente conectadas, e é

possível saber se houve ou não alguma colisão na rede.

(52)

Controle de Acesso ao Meio

• Problema da estação oculta:

Alcance do radio de A

A B C

A está transmitindo

para B

•Neste caso, C não está no alcance do rádio de A.

•Ele “escutará” o meio e concluirá

(53)

CSMA/CA

•Solução: adotar mecanismo de prevenção de colisão:

• O CSMA/CA é um método de transmissão que possui um grau de ordenação maior que o seu antecessor (CSMA/CD).

• Possui mais parâmetros restritivos, que contribui para a redução da ocorrência de colisões em uma rede.

• Antes de transmitir um pacote, estação “escuta o meio” e