Redes de Computadores

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Redes de Computadores

Prof. Brivaldo Junior

Universidade Federal de Mato Grosso do Sul brivaldo@facom.ufms.br

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O n´ucleo da rede Atraso, perda e vaz˜ao Arquitetura de Camadas

Sum´

ario

1 O n´ucleo da rede

2 Atraso, perda e vaz˜ao

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N´

ucleo da rede

´ E um mesclado de roteadores interconectados; encaminhamento de pacotes: dipositivos quebram mensagens da camada de

aplica¸c˜oes em pacotes:

encaminham pacotes de um roteador para o próximo por enlaces da origem ao destino; cada pacote é transmitido na capacidade máxima do enlace.

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O n´ucleo da rede

Atraso, perda e vaz˜ao Arquitetura de Camadas

Comuta¸c˜

ao de pacotes

Cada pacote tem L bits e leva L_R segundos para ser transmitido pelo

enlace;

armazena-encaminha: o pacote completo deve chegar ao roteador para ser

transmitido ao pr´oximo enlace;

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O n´ucleo da rede

Comuta¸c˜

ao de pacotes

Suponha que L tem 7, 5Mbits e R tem 1, 5Mbits. Qual ser´a o atraso na

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O n´ucleo da rede

Comuta¸c˜

ao de pacotes

Suponha que L tem 7, 5Mbits e R tem 1, 5Mbits. Qual ser´a o atraso na

transmiss˜ao entre o dispositivo de origem e o primeiro roteador?

Usando a f´ormula generalizada, o atraso em um enlace ´e:

L R =

7,5

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Comuta¸c˜

ao de pacotes: atraso de fila e perdas

Se a taxa de chegada de pacotes (em bits) exceder a taxa de tansmiss˜ao

por um certo per´ıodo de tempo:

pacotes ser˜ao enfileirados, esperando para serem transmitidos;

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O n´ucleo da rede

Comuta¸c˜

ao de circuitos

Os recursos para comunica¸c˜ao

fim-a-fim s˜ao reservados

durante a comunica¸c˜ao

(garantia de performance);

Na Figura temos o 2nd _circuito

no primeiro enlace e o 1st no

segundo enlace;

Segmento fica ocioso se n˜ao

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Comuta¸c˜

ao de circuitos: multiplexa¸c˜

ao TDM/FDM

TDM (time-division

multiplexing): o tempo ´e

dividido em quadros de dura¸cão fixa (slots); FDM (frequency-division multiplexing): o espectro de frequência é dividido e

reservado durante o per´ıodo da

comunioca¸c˜ao. Ex.: redes

telefˆonicas costumam usar

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O n´ucleo da rede

Comuta¸c˜

ao de circuitos: exemplo

Suponha um circuito usando TDM com 24 slots e tenham uma taxa de

transferˆencia de 1.536Mbits. Precisamos enviar um arquivo de 640kbits de A

para B. Suponha também que para que o circuito seja ativo é necessário um

tempo adicional de 500 milissegundos. Em quanto tempo o arquivo ser´a

enviado?

Cada circuito tem taxa de transmiss˜ao de 1.536₂₄ = 64kbits/s. Logo, ser˜ao

necess´arios 640₆₄ = 10s para transmitir o arquivo. Considerando o tempo de

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Comuta¸c˜

ao de circuitos: exemplo

Suponha um circuito usando TDM com 24 slots e tenham uma taxa de

transferˆencia de 1.536Mbits. Precisamos enviar um arquivo de 640kbits de A

para B. Suponha também que para que o circuito seja ativo é necessário um

tempo adicional de 500 milissegundos. Em quanto tempo o arquivo ser´a

enviado?

Cada circuito tem taxa de transmiss˜ao de 1.536₂₄ = 64kbits/s. Logo, ser˜ao

necess´arios 640₆₄ = 10s para transmitir o arquivo. Considerando o tempo de

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O n´ucleo da rede

Comuta¸c˜

ao de Pacotes versus Circuitos

Argumentos:

Quem defende comuta¸c˜ao de circuitos argumenta que comuta¸c˜ao de

pacotes não é adequada para servi¸cos em tempo real (ex.: liga¸cões

telefˆonicas);

Quem defende comuta¸c˜ao de pacotes argumenta que ela oferece melhor

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Comuta¸c˜

ao de Pacotes versus Circuitos

Por que a comuta¸c˜ao de pacotes ´e mais eficiente? Imagine um enlace de

1Mbits/s. Suponha tamb´em que usu´arios, quando ativos, geram taxas

constantes de 100kbits/s. Imagine ainda que usu´arios ficam ativos apenas

10% do tempo (tomando caf´e, etc.).

Nessa situa¸c˜ao:

A comuta¸c˜ao de circuitos suporta apenas 10 usu´arios;

A comuta¸c˜ao de pacotes com 35 usu´arios, tem uma probabilidade de

0, 0004 ter 11 usu´arios ativos ao mesmo tempo. Logo, podemos oferecer o

servi¸co a mais de 3x a quantidade de usu´arios da comuta¸c˜ao de circuitos.

Outro fato problem´atico do TDM ´e se um cliente precisar enviar muitos dados

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O n´ucleo da rede

Comuta¸c˜

ao de Pacotes versus Circuitos

Seria ent˜ao a comuta¸c˜ao por pacotes o vencedor supremo?

Muito bom para dados em rajadas: compartilhamento de recursos;

simples e sem necessidade de configura¸c˜ao inicial para comunica¸c˜ao.

congestionamento excessivo pode ocorrer: causa atraso nos pacotes e perdas.

protocolos precisam garantir a transferˆencia confi´avel dos dados e lidar com congestionamento.

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Comuta¸c˜

ao: perguntas

Responda as seguintes quest˜oes:

Quest˜ao 1

Como fornecer, usando comuta¸c˜ao por pacotes, o comportamento oferecido

pela comuta¸c˜ao por circuitos? (garantia de largura de banda para aplica¸c˜oes

de audio e v´ıdeo)?

Quest˜ao 2

Fa¸ca uma analogia humana para a reserva de recursos (comuta¸c˜ao por

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O n´ucleo da rede

Atraso, perda e vaz˜ao

Arquitetura de Camadas

Vis˜

ao Geral

Um pacote come¸ca em um host (origem), passa por uma s´erie de

dispositivos de roteamento e, finalmente, chega a outro host (destino).

O pacote passa de nó em nó (host ou roteador) e pode sofrer vários tipos

de atraso ao longo do caminho: atraso de processamento no n´o;

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Atraso de Processamento e Fila

O tempo de atraso de processamento:

depende do tempo necess´ario para examinar o cabe¸calho de um pacote e

determinar seu destino;

depende do tempo necess´ario para verificar erros em bits no pacote.

O tempo de atraso de fila:

depende do tempo de espera enquanto espera para ser transmitido em um enlace;

depende da quantidade de pacotes que chegam e j´a est˜ao na fila.

Se a fila estiver cheia, pacotes novos s˜ao descartados at´e que a fila (buffer)

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O n´ucleo da rede

Atraso de Transmiss˜

ao

Levando em considera¸cão a estratégia de transmissão em que o primeiro

pacote a chegar ´e o primeiro a ser processado (comuta¸c˜ao por pacotes),

somente poderemos transmitir o pacote quando ele for totalmente recebido.

Supondo um pacote com tamanho Lbits e velocidade do enlace Ethernet

R, o atraso de transmissão é a rela¸cão entre L e R, logo: _RL.

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Atraso de Propaga¸c˜

ao

Para que um bit propague no enlace até o roteador é necessário calcular o

tempo necess´ario para que o bit saida de um roteador A pelo enlace at´e o

B.

O bit se propaga na velocidade do enlace (e na fibra ´otica ´e algo em torno

de 2x108 _{m/s a 3x10}8 _ms.

O atraso de propaga¸cão é a rela¸cão entre a distância (d) entre os

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O n´ucleo da rede

Atraso Fim-a-Fim

O atraso total pode ser calculado ent˜ao da seguinte maneira

dno = dprocessamento+ df ila+ dtransmissao+ dpropagacao. Este atraso serve

para determinarmos o atraso para um ´unico roteador. E se fosse

importante saber o atraso total? (fim-a-fim).

Vamos supor que existam N − 1 roteadores entre a origem e o destino e

que a rede n˜ao esteja congestionada, logo os atrasos de fila se tornam

desprez´ıveis. Assim:

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Traceroute

O comando traceroute ou tracert no Windows, servem para mostrar o caminho entre o seu computador e um destino remoto mostrando o endere¸co

IP e nome (quando poss´ıvel) do roteador e o tempo (s˜ao trˆes pacotes

separados). Isso ajuda a mostrar a consistˆencia dos resultados ou a falta dela.

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O n´ucleo da rede

Vaz˜

ao em Rede de Computadores

Uma outra medida de desempenho importante ´e a vaz˜ao fim-a-fim.

Temos dois tipos de vaz˜ao que s˜ao de interesse:

Instantˆanea: que ´e a taxa de bits/s em um dado momento;

Média: que é a rela¸cão entre o tamanho F em bits de um arquivo e o tempo T em segundos que ele leva para ser transferido até o destino (neste caso a vazão média é a rela¸cão F_T bits/s).

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Vaz˜

ao em Rede de Computadores

Algumas aplica¸cões, como VoIP, precisam manter uma vazão instantânea

m´ınima e sem atrasos para que a qualidade da comunica¸c˜ao n˜ao seja

comprometida (no caso do VoIP valores acima de 24 kbits/s1)

Para aplica¸cões de v´ıdeo são necessários codecs de transferência inteligente como H.264, H.265 ou OGG Theora (e o VP9 utilizado no

WebM), s˜ao necess´arias taxas acima de 256 kbits/s).

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O n´ucleo da rede

Vaz˜

ao em Rede de Computadores

Seja um cliente e um servidor em que Rs representa a velocidade do enlace do

servidor ao roteador e Rc a velocidade entre o roteador e o cliente.

Vamos analisar as seguintes situa¸c˜oes:

Quando um enlace for¸ca um roteador a enfileirar pacotes para transmiss˜ao, temos uma situa¸c˜ao de gargalo na rede.

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Vaz˜

ao em Rede de Computadores

Seja um cliente e um servidor em que Rs representa a velocidade do enlace do

servidor ao roteador e Rc a velocidade entre o roteador e o cliente.

Vamos analisar as seguintes situa¸cões: Rs< Rc, qual a vazão máxima?

Rc< Rs, qual a vaz˜ao m´axima?

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O n´ucleo da rede

Exerc´ıcio 1

Vocˆe quer fazer o download de um MP3 que possui tamanho F = 32 milh˜oes

de bits. Quanto tempo ser´a necess´ario (desconsiderando atrasos e

retransmiss˜oes) para baixar a m´usica supondo Rs = 2 Mbits/s e Rc = 1

Mbits/s. Quanto tempo ser´a necess´ario para copiar o arquivo para o cliente?

Solu¸c˜ao

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Exerc´ıcio 1

Vocˆe quer fazer o download de um MP3 que possui tamanho F = 32 milh˜oes

de bits. Quanto tempo ser´a necess´ario (desconsiderando atrasos e

retransmiss˜oes) para baixar a m´usica supondo Rs = 2 Mbits/s e Rc = 1

Mbits/s. Quanto tempo ser´a necess´ario para copiar o arquivo para o cliente?

Solu¸c˜ao

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O n´ucleo da rede

Vaz˜

ao em Rede de Computadores

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Exerc´ıcio

Suponha que um cliente A deseje enviar um arquivo muito grande ao cliente

B. A e B est˜ao conectador por trˆes enlaces R1 = 500 kbits/s, R2= 2 Mbits/s

e R3= 1 Mbits/s. Responda as perguntas:

1 Considerando que não haja nenhum outro tráfego na rede, qual é a vazão

para a transferˆencia do arquivo?

2 Se o arquivo tiver 4 milh˜oes de bytes. Quanto tempo levar´a para o

arquivo ser transferido para B?

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O n´ucleo da rede Atraso, perda e vaz˜ao

Arquitetura de Camadas

Antes de estudarmos sobre a arquitetura da Internet, vejamos um exemplo

mais pr´oximo a nossa realidade. Como viajamos de avi˜ao de uma cidade

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Arquitetura de Camadas

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Arquitetura de Camadas

Mas pra que criar camadas?

Estruturas expl´ıcitas permitem indentifcar como sistemas complexos se relacionam;

Modularizar torna a manuten¸cão mais fácil, permitindo a atualiza¸cão do

sistema: ´

e poss´ıvel mudar o servi¸co de uma camada de forma transparente ao resto do sistema;

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Arquitetura de Camadas: Pilha IP

aplica¸c˜ao: aplica¸c˜oes de rede (ex.: FTP,

SMTP, HTTP).

transporte: transferˆencia de dados processo a processo (TCP, UDP). rede: roteamento de datagramas da origem ao destino (IP, protocolos de roteamento).

enlace: transferˆencia de dados entre elementos de rede vizinhos (Ethernet, 802.11, PPP).

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Arquitetura de Camadas: Modelo ISO/OSI

apresenta¸cão: permitem que as aplica¸cões interpretem o significado dos dados (encripta¸cão, compressão, conven¸cões espec´ıficas de máquina). sessão: sincroniza¸cão, ponto de verifica¸cão (checkpoint), recupera¸cão de dados trocados.

A Pilha IP “esqueceu” estas camadas. esses servi¸cos, se necess´arios, devem ser implementados na

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