Módulo 1 Introdução. Introdução

(1)

RC‐LTI

Módulo 1 – Introdução

Redes de Computadores - LTI

António Casimiro

2º Semestre 2015/16

Adaptado a partir de: Computer Networking: A Top Down Approach ,

6th_{edition. Jim Kurose, Keith Ross, Addison‐Wesley, 2012.} Módulo 1

Objetivos:



Contacto com

terminologia e

conceitos básicos



Visão geral da

estrutura e

componentes da rede



Foco na rede

Internet

Tópicos:



O que é a Internet?



O que é um protocolo?



Estrutura da rede:

 Orla da rede: dispositivos de

acesso, tecnologias de acesso

 Núcleo da rede: comutação de

pacotes e comutação de circuitos, organização estrutural



Métricas de desempenho:

 Perdas, atrasos, fluxo



Protocolos:

 Organização em camadas  Modelo de serviços

(2)

Tópicos



O que é a Internet?



O que é um protocolo?



Estrutura da rede:

 Orla da rede: dispositivos de acesso, tecnologias de acesso  Núcleo da rede: comutação de pacotes e comutação de

circuitos, organização estrutural



Métricas de desempenho:



Protocolos:

 Organização em camadas  Modelo de serviços 1‐3 Módulo 1 Milhões de dispositivos computacionais: (hosts ou sistemas terminais)  Executam aplicações de rede ou distribuídas Rede doméstica Rede institucional Rede móvel ISP global ISP regional Encaminhador PC Servidor Wireless laptop Telefone móvel Ligações com fio Pontos de acesso Ligações

 Fibra ótica, cobre,

rádio, satélite  Taxa de transmissão = largura de banda Encaminhadores: encaminham pacotes (pedaços de informação)

O que é a Internet?

(3)

RC‐LTI

Internet ubíqua

1‐5

Moldura com ligação à net http://www.ceiva.com/

Torradeira com ligação à net para previsão do tempo  Telefones sobre Internet (VoIP) Frigorífico com ligação à net Slingbox: ver televisão por cabo remotamente

Módulo 1



A função dos

protocolos

é

controlar o envio e receção de

mensagens

 E.g., TCP, IP, HTTP, Skype, Ethernet



Internet como “rede de redes”

 Composição hierárquica

 Internet (pública) em contraste com Intranet (privada)



Papel dos standards

 Garantia de interoperabilidade

 RFC: Request For Comments

 IETF: Internet Engineering Task Force

O que é a Internet?

Rede doméstica Rede institucional Rede móvel ISP global ISP regional

(4)

RC‐LTI

A importância dos standards

1-7

Módulo 1



Infraestrutura de comunicação



Permite concretizar aplicações

distribuídas:

 Web, VoIP, e-mail, jogos, partilha de ficheiros, comércio eletrónico



Infraestrutura de serviços



Facilita desenvolvimento de

aplicações



Serviços de:

 Entrega fiável desde a origem até ao destino

 Entrega “melhor esforço” (“best-effort”), não fiável

O que é a Internet?

(5)

Tópicos



O que é a Internet?



O que é um protocolo?



Estrutura da rede:



Métricas de desempenho:



Protocolos:

 Organização em camadas  Modelo de serviços 1‐9 Módulo 1

O que é um protocolo?

Protocolos humanos:



“Que horas são?”

 Pedido, implica resposta



“Prof, não percebi!”

 Confirmação negativa



Introdução

 Preâmbulo ao que se

segue, dando contexto … envio de msgs específicas … realização de ações

específicas após receção de msgs ou outros eventos

Protocolos de rede:



Máquinas em vez de

pessoas



Todas as atividades na

Internet são regidas

por protocolos

Um protocolo define como é que os dados são transferidos (e.g. formato, ordem) entre entidades

semelhantes (peer), e que ações são executadas após eventosde

(6)

RC‐LTI

O que é um protocolo?

Comparação entre um protocolo humano e com máquinas:

1‐11

Q:

Exemplos de outros protocolos?

Olá

Tens horas?

2:00

TCP connection response GET http://mocho.di.fc.ul.pt

<file>

tempo TCP connection request Módulo 1

Tópicos



O que é a Internet?



O que é um protocolo?



Estrutura da rede:

 Orla da rede: dispositivos de acesso, tecnologias de acesso

 Núcleo da rede: comutação de pacotes e comutação de circuitos, organização estrutural



Métricas de desempenho:



Protocolos:

(7)

RC‐LTI

Dissecando a estrutura da rede



Orla da rede:



Aplicações e nós

computacionais



Redes de acesso,

meios físicos:



Com fios, sem fios,

ligações entre nós



Núcleo da rede:



Ligações entre

encaminhadores



Redes de redes

1‐13 Módulo 1

A orla da rede



Sistemas terminais (hosts):

 Executam aplicações

 E.g. Web, e-mail

 Na “orla da rede”



Modelo cliente/servidor:

 Nó cliente faz pedidos que são

servidos por servidor permanentemente ativo

 E.g. Web browser/server,

cliente/servidor e-mail



Modelo nó-a-nó

(peer-to-peer):

 Utilização reduzida ou inexistente de servidores  E.g. Skype, BitTorrent

nó-a-nó (peer-to-peer)

(8)

RC‐LTI

Tecnologias de acesso

 Dial-up modem: Sinais digitais transformados em som e

transmitidos usando ligações telefónicas

 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line): Sinais digitais

transmitidos usando a linha (cabos) telefónicos, em paralelo com sinais de voz

 HFC (Hybrid Fiber Coaxial): Sinais transmitidos sobre cabo

coaxial (e.g. TV cabo) e fibra ótica

 Fibra ótica: Sinais transmitidos diretamente de casa sobre fibra

ótica

 Ethernet: Sinais transmitidos usando rede Ethernet (e.g. labs do

DI)

 Redes sem fios: Sinais transmitidos através do ar, usando

antenas e transmissores/recetores de sinal (E.g. Hotspots WiFi)

1‐15 Módulo 1 Rede telefónica Internet home dial-up modem ISP modem home PC Ponto de acesso

 Utiliza infraestrutura telefónica pré-existente

 Ligação telefónica direta a um ponto de acesso que

encaminha dados para a Internet

 Taxas de transmissão até 56Kbps

 Não é possível falar ao telefone e ligar à Internet em

simultâneo

 A ligação não é permanente (nova chamada telefónica

estabelecida para cada ligação)

(9)

© 2014‐16 A. Casimiro. Baseado em © 1996‐2010 J. Kurose and K. Ross, All Rights Reserved. RC‐LTI Rede telefónica DSL modem home PC home phone Internet DSLAM Linha telefónica pré-existente: 0-4KHz telefone; 4-50KHz upstream data; 50KHz-1MHz downstream data splitter Ponto de acesso

 Utiliza infraestrutura telefónica pré-existente

 Taxas de transmissão (upload e download) assimétricas  Download até 24Mbps, upload na ordem de 1Mbps (também

depende da qualidade da linha física, distância ao ponto de acesso)

 Linha física dedicada até ao ponto de acesso

1‐17

Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)

Módulo 1



Utiliza

infraestrutura de TV por cabo

em vez de

linha telefónica



Taxas de transmissão (upload e download)

assimétricas



Download até 100Mbps (típico) e upload até 20Mbs

(típico), dependente de vários fatores



Infraestrutura de cabo coaxial para ligação a

ponto de acesso

partilhada

por vários subscritores

(10)

RC‐LTI

casa Terminação da rede

Rede de distribuição por cabo (simplificada)

Infraestrutura de rede (TV por cabo)

1‐19 servidores Módulo 1 ONT

OLT

Ponto de acesso Splitter para fibra ONT ONT Fibra ótica Fibras Internet

 Ligações por fibra ótica entre o ponto de acesso e as casas  Taxas de transmissão podem ser muito mais elevadas do que

tecnologias ADSL e cabo (centenas de Mbps)

 Permite transportar serviços de televisão e telefone em

paralelo

 Maior fiabilidade (fibra ótica imune a ruído eletromagnético)

ONT (Optical Network Termination) OLT (Optical Line Termination)

(11)

Ligação ao ISP que serve a instituição

 Normalmente utilizada em empresas, universidades, etc.  Taxas de transmissão de 10Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps  Normalmente os nós terminais estão ligados a um switch Ethernet

1‐21

Acesso por rede Ethernet

Módulo 1



Rede sem fios de acesso

partilhado para ligação de

equipamentos ao encaminhador

 Através da estação base, ou “access point”



Wireless LANs (WiFi):

 802.11b/g: 11 ou 54Mbps

 802.11n: até 600Mbps

 802.11ac: até 1.7Gbps



Outros acessos wireless

 Serviços fornecidos por operadores móveis

 Outras tecnologias: WiMAX 802.16 (até 1Gbps), rede área metropolitana (MAN)

Estação base

Nós móveis encaminhador

(12)

RC‐LTI

Componentes típicos:



Modem cabo ou modem ADSL ou ONT



Router/firewall



Ethernet



Wireless access point

Wireless access point Portáteis wireless Router/ firewall Modem ou ONT Ligação a ponto de acesso Ethernet 1‐23

Redes domésticas

Módulo 1

Tópicos



O que é a Internet?



O que é um protocolo?



Estrutura da rede:

 Orla da rede: dispositivos de acesso, tecnologias de acesso

 Núcleo da rede: comutação de pacotes e comutação de



Métricas de desempenho:



Protocolos:

(13)

RC‐LTI

O núcleo da rede

 Teia de encaminhadores

interligados

 A questão fundamental: como é

que os dados são transferidos através da rede?

 Comutação de circuitos: circuito dedicado para cada ligação (E.g. rede telefónica)

 Comutação de pacotes: dados partidos em fragmentos e enviados através da rede 1‐25 Módulo 1

• Recursos reservados

extremo-a-extremo

para cada ligação

 Limitado por largura de banda

e capacidade dos comutadores (switches)

 Recursos dedicados: não

existe partilha

 Taxa de transmissão garantida

(devido a circuito previamente estabelecido)

 Requer estabelecimento de

ligação para transmissão de dados

Núcleo da rede

Comutação de circuitos

(14)

RC‐LTI



Recursos da rede

divididos em “partes”

(e.g., largura de banda)

 Estas partes são atribuídas

às várias ligações

 Os recursos (largura de

banda) são desperdiçados se as aplicações não

estiverem a transmitir (uma vez que não existe partilha)



A divisão da largura de

banda em “partes” ou

“blocos” pode ser feita

por:

 Divisão da frequência



Canais

 Divisão do tempo



Slots temporais

1‐27

Núcleo da rede

Comutação de circuitos

Módulo 1

FDM

(Frequency Division Multiplexing)

frequência

tempo

TDM

(Time Division Multiplexing)

frequência

tempo

4 utilizadores

Exemplo:

Comutação de circuitos

FDM e TDM

(15)

RC‐LTI

Cada fluxo de dados é dividido em pacotes  Os pacotes de dois nós distintos podem partilhar os mesmos recursos  A largura de banda

pode ser usada por inteiro para

transmitir um pacote

 Os recursos são

usados sempre que necessário

Contenção no acesso a recursos:

 As necessidades podem superar os

recursos disponíveis (E.g. muitos nós a tentar transmitir em simultâneo)

 Congestão:

 os pacotes ficam parados em filas, à espera que existam recursos

 Armazenamento e reencaminhamento

(store and forward):

 os pacotes avançam um passo de cada vez entre encaminhadores

consecutivos;

 Um encaminhador recebe um pacote por inteiro antes de o reencaminhar

1‐29

Núcleo da rede

Comutação de pacotes

Módulo 1



A sequência dos pacotes das mensagens A & B não

segue um padrão fixo ou definido

 Largura de banda partilhada se necessário: multiplexagem estatística

A

B

C

100 Mbps Ethernet 1.5 Mbps

D

_E

Multiplexagem estatística Fila de pacotes esperando reencaminhamento

Comutação de pacotes

Multiplexagem estatística

(16)

RC‐LTI



A comutação de pacotes permite que existam

(estatisticamente) mais utilizadores a usar a rede!

–

Ótimo para dados esporádicos

 Partilha de recursos

 Simplicidade: não é necessário criar circuito e reservar recursos



A comutação de pacotes pode originar congestão:

atrasos no envio de pacotes, perdas (no caso das filas

ficarem cheias)

–

Requer protocolos para lidar com a congestão e para

transmitir dados de forma fiável (necessário para certas

aplicações)

1‐31

comutação de circuitos e de pacotes

Módulo 1

(17)

RC‐LTI _1‐33

Rede Ciência, Tecnologia e Sociedade (RCTS)

Dados: FCCN (Fev 2015)



RCTS integrada com

outras redes nacionais

através do GigaPIX

Módulo 1

Estrutura da internet:

Rede europeia GÉANT de investigação e educação

(18)

RC‐LTI _1‐35

Redes de investigação e educação globais

Módulo 1

Tópicos



O que é a Internet?



O que é um protocolo?



Estrutura da rede:



Métricas de desempenho:



Protocolos:

(19)

RC‐LTI

Os pacotes são colocados em tampões (buffers)

nos encaminhadores



Perdas:

se taxa de chegada maior que taxa de saída



Latência

: por espera na fila para reencaminhamento

A

B

Pacote em transmissão (latência)

Pacotes à espera (latência)

Espaço livre no tampão: os pacotes que chegam são descartados (perdas) se não houver espaço livre

1‐37

Perdas e latência de pacotes

Mensagem, pacote, segmento, trama

: existem

diferentes termos relativos a dados transmitidos

Módulo 1

tproc: processamento no nó  verificar erros nos bits  determinar ligação de saída  tipicamente < msec

A

B

propagação transmissão processamento espera na fila

t_fila: espera na fila

 até que ligação de saída

esteja livre

 depende do nível de

congestão no encaminhador

t

_nó

= t

_proc

+ t

_fila

+ t

_trans

+ t

_prop

(20)

A

B

propagação transmissão processamento espera na fila

t

_nó

= t

_proc

+ t

_fila

+ t

_trans

+ t

_prop

1‐39

Fatores de latência em cada nó

ttrans: tempo de transmissão:  T: Tamanho do pacote (bits)  D: Débito do canal (bps)  t_trans = T/D

t_transe t_prop Muito diferentes

tprop: tempo de propagação:  d: distância de transm. (m)

 v: velocid. de prop. (~2x108 _m/s)  t_prop= d/v

Módulo 1



D: Débito do canal (bps)



T: Tamanho pacote (bits)



c: taxa média de chegada

de pacotes

Intensidade tráfego = cT/D

 cT/D ~ 0: pequena latência média na fila  cT/D -> 1: grande latência média na fila  cT/D > 1: mais pacotes a chegarem do que

os que podem ser despachados, latência média infinita!

Atraso médio

na fila

cT/D ~ 0

Variação do latência média na fila

cT/D Atraso

(21)

RC‐LTI



Os tampões têm capacidade limitada



Se o tampão (fila de espera) estiver cheio, os

pacotes são descartados (e perdidos)



Um pacote perdido pode ser retransmitido pelo nó

anterior, pela aplicação de origem, ou simplesmente

ignorado

A

B

pacote em transmissão

pacote que está a chegar e que é perdido tampão

(espera)

1‐41

Perda de pacotes

Módulo 1



Taxa de transferência:

taxa (bits/unidade de tempo)

a que os bits são transferidos do emissor para o

recetor



Não pode ser maior do que o débito (bandwidth) dos

canais usados na transferência



Pode ser medida de diferentes formas:

 instantânea: taxa num determinado instante

 média: taxa ao longo de um maior período de tempo

(22)

RC‐LTI



D

_A

< D

_B

Qual a taxa de transferência média?

D_Abits/seg D_Bbits/seg

Canal ou ligação no caminho entre dois nós da rede que restringe a taxa de transferência entre estes nós

Canal de estrangulamento

1‐43

Taxa de transferência (throughput)



D

_A

> D

_B

Qual a taxa de transferência média?

D_Abits/seg D_Bbits/seg Módulo 1

Tópicos



O que é a Internet?



O que é um protocolo?



Estrutura da rede:



Métricas de desempenho:



Protocolos:

 Organização em camadas

(23)

RC‐LTI

As redes são complexas e compostas por vários elementos:

– Nós terminais

– Encaminhadores

– Ligações de vários tipos

– Aplicações

– Protocolos (em hardware e software)

Camadas:

cada camada concretiza um determinado serviço

– Através de ações realizadas na própria camada

– Usando serviços de camadas inferiores

– Fornecendo serviços a camadas superiores

1‐45

Protocolos em camadas

Módulo 1



aplicação:

código e protocolos das

aplicações distribuídas (usam rede)

 FTP, SMTP, HTTP



transporte:

transferência de

mensagens de processo a processo

 TCP, UDP



rede:

encaminhamento de pacotes

da origem ao destino

 IP, protocolos de encaminhamento



ligação:

transferência de tramas

entre elementos de rede vizinhos

 Ethernet, 802.11 (WiFi), PPP



físico:

meio de transporte de bits

aplicação

transporte

rede

ligação

físico

Pilha de protocolos da Internet

(24)

RC‐LTI



apresentação:

nível que concretiza

serviços para ajudar aplicações a

interpretarem os dados, p. ex., lidando

com compressão, cifra, byte order



sessão:

sincronização, salvaguarda,

recuperação de dados trocados



Estes níveis não são considerados na

pilha de protocolos da Internet!



Se forem necessários podem ser

concretizados noutros níveis (p.ex.

aplicação).

aplicação

apresentação

sessão

transporte

rede

ligação

físico

1‐47

Modelo de referência ISO/OSI

Módulo 1

origem

aplicação transporte rede ligação físico H_t H_n M segmento Datagrama/pacote destino aplicação transporte rede ligação físico H_t H_n H_l M H_t H_n M H_t M M rede ligação físico ligação físico H_t H_n H_l M H_t H_n M H_t H_n M H_t H_n H_l M router switch

Encapsulamento

mensagem M H_t M trama

(25)

RC‐LTI

Entidades pares (peer)

1‐49

Módulo 1

Módulo 1: Sumário

Ao concluir o estudo deste módulo deverá ter capacidade para:

• Identificar os objetivos da unidade curricular • Descrever a sequência de tópicos a abordar • Enumerar a bibliografia

• Identificar a página da disciplina como a principal ferramenta de comunicação extra-aulas

– Enumerar alguns dos conteúdos que serão disponibilizados na página da disciplina

• Enumerar as componentes de avaliação da unidade curricular, os seus pesos e objetivos

(26)

RC‐LTI

Módulo 1: Sumário

• Caracterizar a Internet

– Distinguir o núcleo da franja da rede

• Caracterizar as franjas da rede

– Distinguir as redes de acesso dos sistemas terminais

• Enumerar exemplos de sistemas terminais

• Distinguir diferentes tipos de tecnologias de acesso, nomeadamente: ADSL, HFC (Híbrido Fibra ótica e Coaxial), Fibra ótica, Ethernet, Wi-Fi, Outras redes sem fio (redes celulares, satélite)

• Caracterizar e distinguir redes de comutação de pacotes e redes de comutação de circuitos

– Descrever o conceito de multiplexagem estatística

– Compreender as vantagens e desvantagens das redes de comutação de pacotes comparativamente às redes de comutação de circuitos no contexto de aplicações concretas

1‐51

Módulo 1

Módulo 1: Sumário

• Caracterizar as diferentes fontes de atraso nas redes comutadas por pacotes

– Indicar quais destas fontes são comuns à comutação por circuito

• Distinguir os conceitos de: perdas (loss), latência (delay), variação de latência, débito (largura de banda), taxa de transferência (throughput)

• Descrever a contribuição de cada um dos seguintes conceitos para a latência: tempo de processamento, tempo de propagação, tempo de transmissão, tempo em filas de espera

• Indicar de que forma cada um dos tempos anteriores contribui para a variação da latência

• Definir e caracterizar o conceito de protocolo

• Compreender a organização em 7 níveis do modelo de camadas OSI • Enumerar e caracterizar os 5 níveis do modelo de camadas da Internet • Justificar o argumento extremo-a-extremo utilizado na Internet