Curso de
Redes de Computadores
Adriano Mauro Cansian
adriano@acmesecurity.org
Capítulo 1 – Parte 1
Introdução e
Conceitos Fundamentais
unesp - IBILCE - SJRPMetas
q
Veremos os contextos principais.
•
Com uma visão geral e intuitiva de redes.
•
Detalhes serão vistos mais adiante.
q
Abordagem:
•
Descritiva.
Introdução
Para onde estamos indo?
unesp - IBILCE - SJRP
AGENDA:
Para onde a Internet está indo ?
q
De onde vim ?
q
Para onde vamos ?
q
Quais são os
desenvolvimentos
?
A morte do computador
unesp - IBILCE - SJRP
A morte do computador (1)
q
A era do computador acabou.
q
Culpado: a única força tecnológica que poderia
superar o impacto do computador de gerar e criar
informação:
A morte do computador (2)
Comunicação:
q
Mais essencial do que a computação
.
q
Forma pela qual moldamos uma personalidade,
uma família, uma empresa, uma nação e um
mundo.
unesp - IBILCE - SJRP
A morte do computador (3)
q
A era do computador acabou não
fracassou.
•
Ela deu origem a uma nova era.
q
Ela gerou uma tecnologia que está
transformando a
cultura
, a
economia
, a
política
e as
nossas vidas
de uma forma
A morte do computador (4)
q
Vivemos numa
economia da informação
.
q
Grande frustração da era do computador:
→
dificuldade de transmitir a informação
.
q
Tornou-se o recurso mais precioso.
Informação é
PODER
...
...e informação que não pode ser transmitida
torna-se um entrave.
unesp - IBILCE - SJRP
O novo mundo
unesp - IBILCE - SJRP
Informação
IMÓVEL
...
q
Instituições maiores e
mais estáticas
.
q
Economia
menos flexível
.
q
Empregos
menos satisfatórios
.
q
Vidas com
menos oportunidades
.
A Internet hoje
unesp - IBILCE - SJRP
A Internet hoje
q
A Internet é hoje uma coleção de
“capacidades”.
q
Resultado de uma agregação de um
conjunto comum de “protocolos”.
•
Regras, padrões, definições, acordos,...
q
Sistemas que
não se falavam antes
, puderam
Internet como plataforma de
comunicação
Hoje
confiamos
cada vez mais na Internet,
para transportar nossa comunicação.
unesp - IBILCE - SJRP
Lei de Metcalfe:
“O valor de uma rede aumenta
proporcionalmente ao poder de
todas as máquinas a ela
acopladas.”
Forças que movem a evolução
Deve ser considerado:
q
O que está
acontecendo com o mercado
.
q
O que está
acontecendo com a
tecnologia
.
q
Quais são as
forças culturais
que regem a
Internet.
unesp - IBILCE - SJRP
Exigências do mercado (1)
q
Ama-se a tecnologia, mas preocupa-se com
o custo.
•
Deve-se
Compartilhar a tecnologia, tornando
seu uso tão eficiente quanto possível.
•
O preço da tecnologia diminui, mas nunca é
barata.
•
Quanto mais barata, mais são desenvolvidas
aplicações maravilhosas, que exigem ainda
Exigências do mercado (2)
q
As pessoas passaram a acreditar que a
Internet é real
, e veio para ficar.
•
As pessoas esperam que as coisas
funcionem.
•
Disponibilidade
total;
•
Segurança
total;
•
Confiabilidade
total; e
• Em “
escala industrial
”.
unesp - IBILCE - SJRPExigências do mercado (3)
q
Flexibilidade:
Se toda a vez que você tiver uma uma tecnologia
ou uma nova aplicação, você tiver que redefinir e
redesenhar seu sistema, está tudo acabado !
q
As pessoas esperam que os sistemas
possam acomodar novas capacidades.
Resumo das exigências do mercado
q
Uso eficiente dos recursos de T.I.
• Equipamentos, armazenagem, aplicações, dados, . . .
q
Infra-estrutura em escala industrial.
•
Disponibilidade contínua, segurança total,
. . .q
Flexibilidade de integração.
•
Aplicações, pessoas, tecnologia, . . .
q
Liberdade de desenvolvimento.
•
Distribuído, centralizado, terceirizado, . . .
unesp - IBILCE - SJRP
Moore’s Law (
1965
)
q
Descreve a predição de que o poder
computacional dos processadores dobra a
cada 18 meses.
q
Significa um crescimento tecnológico de
50 a 60% da capacidade, a cada ano.
•Em
5 anos
a tecnologia será
10 vezes melhor
,
10 vezes mais rápida
,10 vezes mais diferente,
e
10 vezes mais valiosa
.
A evolução das velocidades locais
q
2,9 Mbps, 10 Mbps, 20 Mbps, 100 Mbps
q
1.000 Mbps (1 Gbps)
q
Os produtos de 10.000 Mbps estão
chegando ao mercado comum.
q
Em 15 anos → a velocidade das redes locais
passou de 2,9 Mbps para 1.000 Mbps.
unesp - IBILCE - SJRP
Enquanto isso, na Internet... (1)
q
Hoje é possível colocar 1.000 lambdas em
uma única fibra ótica.
•
10 Gbps em cada lambda (comprimento de
onda)
•
Até 864 fibras num único cabo.
•
864.000 lambdas x 10 Gbps =
8,6 petabits / seg
•
8,6 x 10
15bps ou
8,6 quatrilhões
de bits por
segundo.
http://www.iscpc.org/38
Enquanto isso, na Internet... (2)
q
8 petabits / seg é 1.000 vezes a média total
de tráfego de telecomunicações disponível
em toda a infra-estrutura global de 1997.
q
8 petabits representava TODO o tráfego na
Internet em 1995, num mês inteiro!
q
Este tráfego pode ser transportado hoje
num
único cabo de fibra óptica
.
unesp - IBILCE - SJRP
( Cabo submarino )
q Primeira mensagem enviada pelo Oceano Atlântico, em agosto de
1858.
q Telegrama da Rainha Victoria (UK) para o Presidente Buchanan (USA).
q Levou 7 horas e 40 minutos para ser enviado. Tinha 99 palavras, consistindo de 509 letras.
q Este primeiro cabo submarino intercontinental não permitia transmitir mais que 6 palavras por hora, ou, uma palavra a cada 10 minutos !
38
Enquanto isso, na Internet... (3)
q
O tráfego total na Internet, e a largura de
banda usada,
dobra
a cada 3 ou 4 meses !
q
No ritmo presente de progresso a Internet
algum dia executará gigabits isócronos (em
tempo real).
O impacto da mudanças excederá os sonhos da
maioria dos futuristas tecnológicos.
unesp - IBILCE - SJRP
Enquanto isso, na Internet... (4)
q
Os mercados precisam aprender a se
avaliar.
q
As empresas enfrentam HOJE
menos de
1% do volume de tráfego
que podem
esperar daqui há 5 anos.
q
Obrigará a reordenação de todos os
38
Ao final desta gigantesca ascensão:
A economia da informação -
das
arquiteturas internas dos
chips
às
topologias de rede
- assumirá uma
forma inteiramente nova.
unesp - IBILCE - SJRP
O novo mundo (1)
q
Plataforma computacional virtual, com
recursos globais ilimitados.
q
Uma agregação de poder computacional
•
Armazenamento
,
aplicações
,
memória
,
dados
,
dispositivos de
I/O, etc...
38
O novo mundo (2)
q
Vasta agregação de recursos é
claramente muito mais rica que
qualquer capacidade que se
encontre num computador
isolado
.
unesp - IBILCE - SJRP
Visão geral – O que pretendemos:
qO que que é a Internet.
q
O que é um
protocolo
.
qA borda da rede.
qO núcleo da rede.
qRedes de acesso.
qMeios físicos.
qDesempenho.
•Perdas e atraso.
qCamadas de protocolo e
modelos de serviço.
qBackbones, PTTs,
provedores.
qUm pouco de história.
qResumo.
O que que é a Internet:
q
Milhões de computadores
interligados:
q Microcomputadores, estações, servidores, telefones, PDAs, tablets, games, GPS, robôs, geladeiras, terminais, etc...
• Rodando aplicações
de rede.
q
Enlaces (links) de
comunicação.
• fibra, cobre, rádio, satélite.
q
Roteadores (routers):
encaminham mensagens
de dados pela rede.
1- “
Players”
2 - Componentes
unesp - IBILCE - SJRP
Estrutura da Internet (1)
unesp - IBILCE - SJRPEstrutura da Internet (2)
Rede roteador estação servidor móvelOs componentes da Internet
q
Protocolos
: controlam envio, recepção de mensagens:
• TCP, IP, HTTP, FTP, SSH, etc... etc... • Protocolo define uma “capacidade”.
q
Internet é a “
rede de redes
”.
• Aproximadamente hierárquica.
•
Internet
working
: interconexão de redes. qPadrões Internet
• RFC: Request for comments.
http://www.faqs.org
• IETF: Internet Engineering Task Force
http://www.ietf.org unesp - IBILCE - SJRP
Os serviços na Internet
qInfra-estrutura de
comunicação:
possibilita
aplicações distribuídas:
• WWW, correio, jogos, comércio eletrônico, P2P, bases de dados, eleições, etc...q
Dois serviços de
comunicação oferecidos:
• Sem conexão.A Internet e sua explosão para o mundo
q
Internet dentro do mundo dos negócios:
World Wide Web
•
Foi adotado um conjunto de padrões
relativamente simples.
•
Permitiu acessar a informação em qualquer
lugar.
unesp - IBILCE - SJRP
WWW (1)
q
Hipertexto:
“A mente humana (...) opera por associação. De
posse de um item, ela parte instantaneamente
para outro que é sugerido pela associação de
pensamentos, de acordo com alguma teia
intrincada de trilhas levadas pelas células do
cérebro.”
1945 - Vannevar Bush
RAND Co.
WWW (2)
q
1988 - Theodore Nelson (Xanadu Network)
q
1992 / 1993
• Marc Andreesen e Eric Bina (NCSA - Illinois) • Tim Berners-Lee (CERN - Suíça)
q
Acadêmica.
q
Idéia certa, feita pelos motivos errados:
•
A ligação de 200 cientistas a um pequeno número de
supercomputadores
.
unesp - IBILCE - SJRP
PROTOCOLOS
unesp - IBILCE - SJRP
Afinal, o que que é um protocolo?
Protocolos humanos:
q
“-Que horas são?”
q
“-Tenho uma dúvida”.
q
Cumprimentos /
Apresentações.
… mensagens
específicas enviadas.
… ações específicas
adotadas ao receber
mensagens.
Protocolos de rede:
qMáquinas ao invés de
gente.
qToda comunicação na
Internet é governada por
protocolos.
FORMALISMO:Protocolos definem o
formato
, a
ordem
, e as
ações
adotadas
ao enviar ou receber uma
mensagem entre componentes
O que que é um protocolo?
Um protocolo humano e um protocolo de rede :
Oi!
Oi!
Que horas são?2:00
TCP pedido de conexão. TCP resposta. Get http://www.unesp.br/index.htm<arquivo>
Tempo
unesp - IBILCE - SJRPDetalhes sobre a estrutura da rede
q
Borda (
edge
) da rede:
aplicações e hosts.
q
Núcleo (
core
) da rede:
•
Roteadores.
•
Rede de redes.
q
Redes de acesso são
formadas pelos meios
físicos:
enlaces (links) de
comunicação.
A borda da rede:
q
Sistemas terminais:
• Rodam aplicações • Exemplo: WWW, correio • Na “borda da rede”.q
Modelo cliente/servidor
• Cliente solicita...• ... e recebe serviço do servidor.
• Exemplo: cliente WWW (browser) / servidor; • Cliente / servidor de e-mail. • P2P.
• VoIP
unesp - IBILCE - SJRP
Serviços com e sem conexão.
Borda da rede: serviço orientado a conexão (1)
q
Meta do serviço:
•
transferência de dados entre sistemas.
q
“handshaking”:
•
preparação para iniciar transferência.
• Protocolo humano: “Oi!” - “Oi!”
• Serve para criar “estado”
– entre 2 sistemas que desejam se comunicar.
q
TCP - Transmission Control Protocol
•
É o serviço orientado a conexão da Internet.
unesp - IBILCE - SJRP
Borda da rede: serviço orientado a conexão (2)
Características do Serviço TCP
[RFC 793]:
q
Fluxo de bytes ordenado e confiável:
•
Quando há perdas: confirmações e retransmissões
q
Controle de fluxo:
•
Transmissor rápido não vai “
afogar
” um receptor.
q
Controle de congestionamento:
•
Transmissor reduz a taxa de envio
quando rede fica
congestionada.
Borda da rede:
serviço sem conexão
Meta do serviço:
transferência de dados entre
sistemas
Pergunta: Mas é a mesma meta que antes ?!?
q
UDP
- User Datagram Protocol [RFC 768]:
Serviço sem conexão da Internet.
•
Transferência de dados não confiável.
•
Sem controle de fluxo.
•
Sem controle de congestionamento.
unesp - IBILCE - SJRP
Aplicações
Aplicações usando TCP:
q
HTTP (WWW), FTP (transferência de arquivo),
Telnet (acesso remoto), SMTP (correio), ssh,...
Aplicações usando UDP:
q
Mídia com “streamming”, teleconferências,
Núcleo (core) da Rede
q
Malha conexa de roteadores.
q
A
questão fundamental:
como
se transfere dados através da
rede?
•
Comutação de circuitos:
circuito dedicado por
chamada: rede de telefonia
•
Comutação de pacotes:
dados enviados pela rede
em quantias discretas
(“pedaços”).
unesp - IBILCE - SJRP
Núcleo da Rede: comutação de
circuitos
(1)
Recursos fim a fim
reservados para a
“chamada”.
q
Banda baseada na
capacidade de comutação.
q
Recursos dedicados: não há
compartilhamento.
q
Desempenho é garantido.
q
Requer fase inicial (“setup”).
unesp - IBILCE - SJRP
Núcleo da Rede: comutação de
circuitos
(2)
Recursos de rede
dividido em “pedaços”.
•
Por exemplo: Banda (bandwidth)
q
Pedaços alocados para as chamadas.
q
Recurso fica
ocioso
se não é usado pela
chamada.
Exemplo:
q
Um circuito de 1 Mbps só pode
acomodar 10 usuários que
consomem 100 Kbps.
•
Estejam eles transmitindo ou não.
q
Digamos que os usuários só
transmitam 10% do tempo:
há muita
ociosidade do canal
.
•
Será comparado mais adiante.
unesp - IBILCE - SJRP
Núcleo da Rede: comutação de
circuitos
(3)
Divisão de banda em
“pedaços”
q
Divisão por freqüência
(FDMA - Frequency
Division Multiplexing
Access)
q
Divisão por tempo
(TDMA - Time Division
Multiplexing Access)
Comutação de Circuitos: FDMA e TDMA
FDMA
Freqüência
tempo
TDMA
Freqüência
tempo
4 usuários
Exemplo:
unesp - IBILCE - SJRPComutação de PACOTES
Núcleo da Rede: comutação de
pacotes
(1)
Cada fluxo de dados da origem ao
destino é dividido em pacotes:
q
Pacotes compartilham recursos.
q
Cada pacote usa a banda inteira
do enlace.
• Veremos exemplo mais adiante.
q
Recursos usados sob
demanda.
Divisão de banda Alocação dedicada Reserva de recursos
unesp - IBILCE - SJRP
Núcleo da Rede: comutação de pacotes (2)
Contenção de recursos:
q
Demanda agregada pode exceder os recursos
disponíveis.
q
Congestionamento:
•
Fila de pacotes em espera para uso do enlace.
q
Armazena e re-encaminha (forward):
1.
Pacotes passam por um enlace a cada vez.
2.
Transmite através do enlace.
Núcleo da Rede: comutação de pacotes (3)
Exemplo de Comutação de pacotes:“armazena e re-encaminha” (store-and-forward)
q Cada link 1,5 Mbps
q 7,5 Mbits = 5000 pacotes de 1,5 Kbits
Coisas acontecem ao mesmo tempo: 1o. Pacote leva 1 ms até router 1 1o. Pacote leva 2 ms até router 2 Mas pacote 2 já começa a vir para router 1 = 1 ms 1o. Pacote chega ao destino em 3ms enquanto isso o pacote 2 chega no router 2 em 2 ms etc… Tempo total para os 5000 pacotes é de 5,002 seg.
unesp - IBILCE - SJRP
Núcleo da Rede: comutação de pacotes (3)
q Cada link 1,5 Mbps
q Total de 7,5 Mbits para transmitir = 5000 pacotes de 1,5 Kbits Coisas acontecem ao mesmo tempo:
1º. Pacote leva 1 ms até router 1 1º. Pacote leva 2 ms até router 2
q Mas pacote 2º. já começa a vir para router 1 = 1 ms. q 1o. Pacote chega ao destino em 3ms.
q Enquanto isso o pacote 2 chega no router 2 em 2 ms. etc…
Comutação de pacotes X comutação de circuitos (1)
q
Enlace de 1 Mbps.
q
Suponha que cada
usuário:
• 100 Kbps quando “ativo” • Ativo 10% do tempo
q Comutação de circuitos: • Comporta só 10 usuários.
• Tem que reservar a banda toda.
Comutação de pacotes permite admitir mais usuários!
N usuários
enlace de 1 Mbps
unesp - IBILCE - SJRP
Comutação de pacotes X comutação de circuitos (2)
q
Enlace de 1 Mbps.
q
Cada usuário:
• 100 Kbps quando “ativo” • Ativo 10% do tempo
q
Comutação de pacotes:
• Probabilidade de haver um usuário
específico ativo é 0,1 (ou seja, 10%).
• Se houver 35 usuários: a
probabilidade de haver mais de 11 ou mais usuários ativos
simultâneos é menor que 0,0004
(Exercício)
Comutação de pacotes permite admitir mais usuários!
N usuários
enlace de 1 Mbps
Comutação de pacotes X comutação de circuitos (3)
q
Usuário quando ativo gera dados a 100 Kbps.
•
Prob. de MAIS de 10 usuários ativos é 0.0004
•
Prob. 10 ou MENOS usuários ativos é 0.9996
q
Moral da estória:
•
numa rede de packet switching
de 1 Mbps
existe probabilidade
P
= 0.9996 dos 35 usuários
terem disponível a mesma banda que existiria
em uma rede
circuit switching
de 1 Mbps com
10 usuários.
• Suporta 3 vezes mais usuários que circuit switch.
unesp - IBILCE - SJRP
Comutação de pacotes X comutação de circuitos (3)
q
Vantagens
:
• Ótimo para dados em rajadas. • Compartilha recursos.
• Não requer inicialização do circuito (setup).
q
Problemas:
• Se há congestionamento excessivo: ocorrem retardo e perdas.
• Mas, há protocolos para transferência confiável de dados e controle de congestionamento.
• Como prover (simular) comportamento de circuitos?
• Como oferecer garantias de banda necessárias para aplicações de áudio/vídeo.
Redes de pacotes e roteamento
q
Meta:
mover pacotes entre roteadores da origem ao
destino.
• Serão estudados algoritmos de seleção de rota (Cap. 4)
q
Rede de datagramas:
• endereço de destino determina próximo passo. • rotas podem mudar durante uma sessão. • analogia: dirigindo, perguntando o caminho.
q
Rede de circuitos virtuais:
• Cada pacote carrega rótulo (ID de circuito virtual), rótulo
determina próximo passo.
• Rota fixa determinada em tempo de estabelecimento da
chamada, permanece fixa durante a chamada.
• Roteadores mantêm estado por chamada.
unesp - IBILCE - SJRP
Redes de acesso e meios físicos
q
Como ligar sistemas
terminais ao 1º. roteador?
• Redes de acesso residencial. • Redes de acesso institucional(escola, empresa, etc...).
• Redes de acesso móvel.
Características principais:
• Qual a Banda (bits per second) da
rede de acesso?
• É Compartilhada ou dedicada?
unesp - IBILCE - SJRP
Meios físicos: cabo coaxial, fibra
Cabo coaxial:
q
Fio (portador do sinal)
dentro de um fio
(blindagem)
• Banda básica: canal único
no cabo.
• Banda larga: múltiplos
canais no cabo. q
Bidirecional.
q
Uso era comum em
Ethernet de 10Mbps
Cabo de fibra ótica:
q
Fibra de vidro iluminada
por pulsos de luz
q
Operação de alta
velocidade:
• Ethernet de 100Mbps • Transmissão de alta
velocidade ponto a ponto (p.ex., 10 Gbps)
q
Baixa taxa de erros.
q
2 tipos de fibra:
Cabo fibra ótica e coaxial
unesp - IBILCE - SJRP
Meios físicos
q
Enlace físico:
Bit de dados transmitido
propaga através do
enlace.
q
Meio guiado:
• Sinais propagam em meios
sólidos: cobre, fibra.
q
Meios não guiados:
• Sinais propagam
livremente, p.ex., rádio
Par trançado
(
Twisted Pair
- TP)
q
Dois fios isolados de
cobre.
• Categoria 3: fio telefônico
tradicional, ethernet de 10 Mbps
• Categoria 5: ethernet de
Meios físicos: rádio (1)
q
Sinal enviado pelo espectro eletromagnético.
q
Sem “fio” físico.
q
Bidirecional.
q
Efeitos sobre propagação do ambiente:
•
Reflexão.
•
Obstrução por objetos.
•
Interferência.
unesp - IBILCE - SJRP
Meios físicos: rádio (2)
Tipos de enlace de rádio:
q
Microondas
• p.ex. canais até 155 Mbps
q
Rede local
(p.ex.802.11B, G e N)
• 11Mbps, 54Mbps, 300 Mbps
q
Longa distância
(p.ex., celular)
• p.ex. CDPD, 10’s Kbps ou 3G em alta velocidade.
q
Satélite
• Canais de até 50Mbps (ou múltiplos canais menores) • Retardo ponto a ponto de 270 ms.
Meios físicos: rádio (3)
http://www.turnpoint.net/wireless/cantennahowto.html
unesp - IBILCE - SJRP
Acesso residencial: acesso ponto a ponto
qDiscado via modem (
dial-up
)
•
até 56Kbps, acesso “direto”
ao roteador.
q
ADSL:
Asymmetric Digital
Subscriber Line
• Até 34 Mbps do roteador a casa. • Até 4 Mbps de casa ao roteador. • Disponibilidade de ADSL :
Telefônica, Oi, etc...
Canal Voice: de 0 a 4 KHz
Canal Upload: 4KHz a 50 KHz
Acesso residencial: cable modems
q
HFC: hybrid fiber coax (Cable)
• assimétrico: até 30Mbps download e 2 Mbps para upload.
q
Rede de cabo e fibra liga a casa ao roteador do provedor.
• Acesso compartilhado ao roteador pelas casas. • Problemas: dimensionamento, congestionamento. • Disponibilidade: via companhias de TV a cabo.
unesp - IBILCE - SJRP
Acesso institucional: redes locais
q
Rede local
(LAN) liga
sistema terminal ao 1º.
roteador.
q
Ethernet:
cabo compartilhado oudedicado usado para acesso ao roteador: 100 Mbps, 1 Gbps
q
Disponibilidade:
Corporações e instituições,
redes domésticas ...
q
LANs - Redes locais.
unesp - IBILCE - SJRP
