Introdução às Redes de Computadores e Internet · Artur Arsenio Redes de Computadores 2010/2011...

Artur Arsenio

Redes de Computadores 2010/2011

Departamento de Engenharia Informtica1

Redes de ComputadoresRedes de Computadores

Introduo s Redes de

Computadores e Internet

Artur Arsenio


Departamento de Engenharia Informtica2Introduo s

Redes de Computadores

Introduo s Redes de Computadores e Internet

Objectivos:

Viso geral sobre redes - detalhes abordados posteriormente no cursoObjectivos:

Viso geral sobre redes - detalhes abordados posteriormente no curso

A Internet

Protocolos

Estrutura da rede A periferia da rede

O ncleo da rede

Redes de Acesso e Meio Fisico

Desempenho: atraso e perda

Camadas de protocolos

Estrutura da Internet e ISPs

A Internet

Protocolos


O ncleo da rede





Segue Capitulo 1 do livro de J.F Kurose e K.W. Ross

Artur Arsenio




Internet (Imagens da Siemens, Pictures of the Future)

Na Indstria

Nos Transportes

Na Sade

Artur Arsenio




Casas Inteligentes Acesso Anywhere

Artur Arsenio




A Internet: Viso dos Componentes

Internet rede de redes

Milhes de sistemas computacionais interligados, que executam aplicaes de rede

(network applications)

Canais fsicos de comunicao cobre, fibra, radio

Ns de encaminhamento (routers), que propagam pacotes de dados

atravs da rede

Protocolos, e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP

que controlam a emisso e recepo de mensagens router workstation servidor porttil

ISP local

Rede daempresa

ISP regional

Artur Arsenio




Home Entertainment - IPTV Network Management

R&D Labs at Nokia Siemens Networks POR Development Center

Optical Networking

Multimedia

e IP integration

Comutadores lgicos (switches), ns de encaminhamento (routers),

amplificadores de sinal, Cabos de fibra ptica, ...

Broadband Access

Artur Arsenio




Sistemas Terminais

PCs e portteis

Servidores

PDAs

Mquinas Fotogrficas Digitais

Camaras de video digitais com ligao de rede

Artur Arsenio




O menor servidor Web do mundo

http://www.cs.umass.edu/~shri/

Molduras Digitais IP descarregam

fotos digitais, interface USB,

Tostadeira ligada Web. Previso

do tempo

http://dancing-man.com/robin/toasty/

Telefones com Internet

(Web, email, mensagens)

The Internet of Things

Mais Aparelhos Internet Cool...

Computao pervasiva

Artur Arsenio




Monitorizao Remota

Harvard Sensors Lab

www.eecs.harvard.edu

Artur Arsenio




RFIDs Radio Frequency IDentification

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PLUX Wireless BioSignals

Artur Arsenio




Oxygen Project at MIT

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Artur Arsenio




...e um Mundo Conectado

Artur Arsenio




A Internet: Viso dos Servios

Infra-estrutura de comunicao

web

correio electrnico: e-mail

Jogos

comrcio electrnico

partilha de ficheiros

Servios de comunicao disponibilizados:

no fivel sem ligaes

fivel com ligao

Artur Arsenio




VoIP Call N Share

Mobile IM w/ Presence

Multiplayer Gaming

Network Address Book

Mobile & IPTV

Rich Media IMRingback Tones

Picture Share Mobile Conferencing Video Surveillance Remote Monitoring

Artur Arsenio




A Internet

Protocolos


O ncleo da rede





A Internet

Protocolos


O ncleo da rede





A Internet - reviso

Viso de Componentes

Equipamento terminal

Viso dos Servios

Viso de Componentes

Equipamento terminal

Viso dos Servios

Artur Arsenio




Protocolos Humanos e de Rede que horas so?

tenho uma dvida

Apresentaes Ol

mensages especficas so

enviadas

aces especficas so

realizadas quando as mensagens

so recebidas ou acontecem

outros eventos

que horas so?

tenho uma dvida

Apresentaes Ol

mensages especficas so

enviadas

aces especficas so

realizadas quando as mensagens

so recebidas ou acontecem

outros eventos

Ol

Ol

Que horas so?

2:00tempo

Exemplo: pedir horas

TCP connection req.

TCP connection reply.

tempo

Exemplo: pedido a um servidor WEB

mquinas ao invs de pessoas

todas as actividades de

comunicao na Internet so

governadas por protocolos

mquinas ao invs de pessoas

todas as actividades de

comunicao na Internet so

governadas por protocolos

Artur Arsenio




Modelo de Comunicao

ProcessoProcesso Canal de comunicaoCanal de comunicaoporto

Processo

API da

comunicao

API da

comunicao

modo utilizador modo sistema

rederede

porto

transporte

rede

lgico

fsico

Artur Arsenio




Protocolo: O que ?

Protocolos definem o formato e a ordem das mensagens enviadas e recebidas pelas entidades da rede, e aces tomadas quando da transmisso ou recepo de msgs

Protocolos definem o formato e a ordem das mensagens enviadas e recebidas pelas entidades da rede, e aces tomadas quando da transmisso ou recepo de msgs

Artur Arsenio




Protocolos de Rede Saber Quais?

Normas (ou padres) da Internet:RFC: Request for Comments

IETF: Internet Engineering Task Force

Normas (ou padres) da Internet:RFC: Request for Comments

IETF: Internet Engineering Task Force

Artur Arsenio




Protocolos Reviso

A Internet

Protocolos


O ncleo da rede





A Internet

Protocolos


O ncleo da rede





Protocolos Humanos

Protocolos de Rede

Importncia dos

Protocolos

Definio

Protocolos Humanos

Protocolos de Rede

Importncia dos

Protocolos

Definio

Artur Arsenio




Protocolos Humanos

Protocolos de Rede

Importncia dos Protocolos

Definio

Protocolos Humanos

Protocolos de Rede

Importncia dos Protocolos

Definio

Estrutura da Rede

Rede de acesso

Periferia da rede

Ncleo d

a rede

Periferia da rede sistemas terminais

PCs, servidores, PDAs, telemveis, Smartphone

executam programas de aplicao

ex., WWW, email

Ncleo (Interior) da rede malha de routers

rede de redes

Redes de acesso, meio fsico definem os canais de comunicao

Artur Arsenio




Periferia da Rede: Arquitecturas das Aplicaes

Cliente-servidor

Peer-to-peer (P2P)

Hbrido de cliente-

servidor e P2P

Artur Arsenio




Arquitectura cliente-servidor

Servidor

Sempre ligado

Endereo IP permanente

Fornece servios pedidos pelo cliente

Escalabilidade com server farms - conjunto de servidores que formam um servidor virtual nico infra-estrutura intensa (Google,Amazon,YouTube, YahooMail)

Cliente

Comunica-se com o servidor (fala primeiro)

Pede servios ao servidor

Pode estar ligado de forma intermitente

Pode ter endereos IP dinmicos

No comunica directamente com outros clientes

Artur Arsenio




Arquitectura P2P pura

No h um servidor sempre ligado

Sistemas finais arbitrrios chamados de pares (peers) comunicam directamente

Dados no passam por servidores dedicados, so controlados pelos utilizadores

Pares esto ligados de forma intermitente e podem mudar endereos IP

Exemplo: BitTorrent (distribuio ficheiros), eMule (partilha ficheiros), Skype(telefone)

Alta escalabilidade

Porm, difcil de gerir

Artur Arsenio




Hbrido de cliente-servidor e P2P

Napster (extinta) Transferncia de ficheiros P2P

Procura de ficheiros centralizada: Pares registam contedo no servidor central

Pares consultam o mesmo servidor central para localizar contedo

Mensagem instantnea - Instant messaging Conversa entre dois utilizadores P2P

Localizao e deteco de presena centralizadas: Utilizadores registam o seu endereo IP no

servidor central quando ficam online

Utilizadores consultam o servidor central para encontrar endereos IP dos outros utilizadores

Artur Arsenio




Periferia da Rede: Servio de Transporte

Objectivo: transferncia de dados entre sistemas terminais

Servio com ligao

Transmisso fivel Controlo de fluxo Controlo de

congesto

Servio sem ligao

Transmission Control Protocol [RFC793]Aplicaes que usam TCP:

HTTP (WWW)

FTP (transferncia de ficheiros)

Telnet (login remoto), SMTP (email)

User Datagram Protocol [RFC768]

Aplicaes que usam UDP:Transmisso de udio e vdeo

Teleconferncia

Telefobe sobre Internet (VoIP, Skype)

Transmisso no fivel Sem controlo de fluxo Sem controlo de

congesto

Artur Arsenio




O Ncleo da Rede

Malha de ns de encaminhamento (routers) interligados

Questo fundamental: como os dados so transferidos atravs da rede?

comutao de circuitos

comutao de pacotes

Artur Arsenio




Ncleo da Rede: Comutao de Circuitos

Recursos de um extremo ao outro (end2end) so reservados para cada chamada

Necessita o estabelecimento de ligao para cada chamada

Largura de banda do canal garantida (qualidade constante)

Recursos dedicados: ausncia de partilha durante uma chamada

Desempenho tipo circuito (garantido)

Artur Arsenio




Ncleo da Rede: Comutao de Circuitos

Diviso da banda de um

canal em pedaos(multiplexagem)

FDM Frequency Division

Multiplexing - diviso de

frequncia

TDM Time Division

Multiplexing - diviso de

tempo

FDM

frequncia

tempo

4 utilizadores

TDM

freqncia

tempo

quadro compartimento

Artur Arsenio




Exercicio numricoComutao de Circuitos

Quanto tempo leva para enviar um ficheiro de 640.000 bits de um host A para um host B atravs de uma rede de comutao de circuitos? Todos os canais de comunicao so de 2,048 Mbps

taxa de transmisso total de cada canal

Cada canal usa TDM com 32 compartimentos

500 mseg para estabelecer um circuito extremo-a-extremo

Calcula! 1 taxa de transmisso de cada circuito ou utilizador?

2 tempo para transmitir ficheiro?

3 tempo total de envio? Respostas:1. 2048Kbps / 32 = 64 Kbps

2. 640Kbit / 64 Kbps = 10 segs

3. 10 + 0,5 = 10,5 segs total

Respostas:1. 2048Kbps / 32 = 64 Kbps

2. 640Kbit / 64 Kbps = 10 segs

3. 10 + 0,5 = 10,5 segs total

Artur Arsenio




Ncleo da Rede: Comutao de Pacotes

Utilizao dos Recursos

A procura agregada de recursos

pode superar a quantidade

disponvel

Congestionamento: os pacotes

esperam em fila at serem transmitidos no canal

Armazena e retransmite (store

and forward): os pacotes

percorrem um salto de cada vez

Transmisso numa ligao

Espera pela vez na prxima ligao

Diviso da banda em pedaos

Alocao dedicada

Reserva de recursos

O fluxo de dados a transmitir dividido em pacotes

Os pacotes dos utilizadores partilham

os recursos da rede (o mesmo canal)

Cada pacote usa toda a largura de

banda do canal (taxa de transmisso

total do link)

Os recursos so usados quando so

necessrios

Artur Arsenio




Comutao de Pacotes: Multiplexagem Estatstica

A

B

CEthernet 100 Mbps

1,5 Mbps

45 Mbps

D E

multiplexagem estatstica

fila de pacotes em esperano canal de sada

Partilha de recursos por procura (e no por alocao prvia) multiplexagem estatstica

Artur Arsenio




Comutao de Pacotes: Armazenar-e-Retransmitir (Store-and-Forward)

Leva L/R segundos para transmitir um pacote de L bits em um canal de R bps

N ns (no exemplo N=2)

Todo o pacote deve chegar ao n de encaminhamento antes que possa ser transmitido no prximo canal

No exemplo, atraso = 3L/R (assumindo atraso zero de propagao e de fila)

Leva L/R segundos para transmitir um pacote de L bits em um canal de R bps

N ns (no exemplo N=2)

Todo o pacote deve chegar ao n de encaminhamento antes que possa ser transmitido no prximo canal

No exemplo, atraso = 3L/R (assumindo atraso zero de propagao e de fila)

Exemplo:

Mensagem L = 7,5 Mbits

Tx: R = 1,5 Mbps

Exemplo:

Mensagem L = 7,5 Mbits

Tx: R = 1,5 Mbps

R R R

L

Comutao de mensagens sem segmentao

1

Respostas:Atraso de transmisso de um n

L/R = 7,5Mbits / 1,5 Mbps = 5 segs

Atraso de transmisso extremo a

extremo = (N+1) L/R = 3 x 5 = 15 segs

Respostas:Atraso de transmisso de um n

L/R = 7,5Mbits / 1,5 Mbps = 5 segs

Atraso de transmisso extremo a

extremo = (N+1) L/R = 3 x 5 = 15 segs

Artur Arsenio




Comutao de pacotes: Segmentao de Mensagens

Quebrar agora a mensagemem M=5000 pacotes

Cada pacote de P=1500 bits L=7,5Mbits = 5000 x 1500bits

R= link com Tx de 1,5Mbps

1 mseg para transmitir um pacote em um canal

Pipelining: as linhas funcionam em paralelo

Atraso reduzido de 15 segpara 5,002 seg

R R R

L12345

Time (msec)

Atraso em 1 n de 1 pacote = P/R = 1,5Kbit/1,5Mbps = 0,001seg

atraso 1 pacote = (N+1)P/R = 3 x 0,001 = 0,003seg

atraso total = atraso 1 pacote + (M-1)P/R = 0,003+4999x0,001=5,002seg

Atraso em 1 n de 1 pacote = P/R = 1,5Kbit/1,5Mbps = 0,001seg

atraso 1 pacote = (N+1)P/R = 3 x 0,001 = 0,003seg

atraso total = atraso 1 pacote + (M-1)P/R = 0,003+4999x0,001=5,002seg

Artur Arsenio




Comutao de Circuitos Comutao de Mensagens Comutao de Pacotest=7,5M/1,5M=5s t=3x(7,5M/1,5M) = 15s 5000[(7,5M/5000)/1,5M)]

= 5000 x 1ms, t = 5s+2ms

Comutao e Atrasos Anlise Comparativa

Artur Arsenio




Redes comutadas por pacotes: Encaminhamento (forwarding) e Circuitos Virtuais

Redes de datagramas

o endereo do sistema final de destino determina prxima etapa (endereamento com estrutura hierrquica)

pacotes so encaminhados independentemente, oferecendo flexibilidade e robustez superiores (j que a rede pode reajustar-se mediante a quebra de um link)

rotas podem mudar durante a sesso

Objectivo: mover pacotes entre ns de encaminhamento da origem at o destino

Redes de circuitos virtuais

cada pacote contm uma marca (ID do circuito virtual) que determina prxima etapa

caminho virtual fixo determinado no estabelecimento da chamada, permanece fixo durante a chamada todos os pacotes seguiro o mesmo caminho

Artur Arsenio




Comutao de pacotes versus comutao de circuitos

Vantagens

claras vantagens para dados em ragadas

partilha dos recursos

no necessita estabelecimento de um circuito fisico

Desvantagens

Congestionamento excessivo: atraso e perda de pacotes

h necessidade de definir protocolos para a transmisso fivel de dados e controlo de congestionamento

P: Como fornecer um comportamento do tipo circuito?

so necessrias garantias de banda para aplicaes de udio e vdeo

Problema em aberto

Vantagens

claras vantagens para dados em ragadas

partilha dos recursos

no necessita estabelecimento de um circuito fisico

Desvantagens

Congestionamento excessivo: atraso e perda de pacotes

h necessidade de definir protocolos para a transmisso fivel de dados e controlo de congestionamento

P: Como fornecer um comportamento do tipo circuito?

so necessrias garantias de banda para aplicaes de udio e vdeo

Problema em aberto

A comutao de pacotes necessriamente melhor?

Artur Arsenio




Comutao de pacotes versus comutao de circuitos

Link de 1 Mbit

cada utilizador: 100Kbps quando activo

activo 10% do tempo

comutao por circuitos: 10 utilizadores

comutao por pacotes: com 35 utilizadores, probabilidade de + de 10 utilizadores activos menor que 0,0004

N utilizadores

1 Mbps

A comutao de pacotes permite que mais utilizadores usem a rede!A comutao de pacotes permite que mais utilizadores usem a rede!

Artur Arsenio




Taxonomia de Redes (Ncleo)

Redes deTelecomunicaes

Redes comutadaspor circuitos

FDM TDM

Redes comutadaspor pacotes

Redescom VCs

Redesdatagrama

Redes com VCs (Ex, ATM Asynchronous Transfer Mode) Redes datagrama (Ex. IP)

Artur Arsenio




Redes de acesso e meios fsicos

Q: Como ligar um sistema terminal a um router da periferia da rede?

Redes de acesso residenciais

Redes de acesso institucionais (universidade, empresa)

Redes de acesso mveis

Importante:

largura de banda (bits por segundo) da rede de acesso?

partilhado ou dedicado?

Artur Arsenio




Acesso residencial: acesso ponto a ponto

Ligao telefnica (Dialup) via modem

at 56Kbps dedicados para o router (teoricamente, frequentemente menos)

No possvel surfar e telefonar ao mesmo tempo: no se pode estar sempre ligado

ADSL: Espectro de frequncias ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line

at 1 Mbps ascendente (upload)

at 8 Mbps descendente (download)

o FDM: o 50 kHz-1 MHz download

o 4 kHz - 50 kHz upload

o 0 kHz - 4 kHz para o telefonia

Artur Arsenio




Acesso residencial: cable modems

HFC: hybrid fiber coax (rede hbrida - fibra ptica e cabo coaxial)

assimtrico: at 30Mbps descendente, 2 Mbps ascendente

Redes de cabos e fibra ptica ligam as casas ao router do Internet Service Provider (ISP) acesso ao router partilhado

pelas casas

tpicos: congesto, dimensionamento

Instalao: disponvel atravs das empresas de TV por cabo, ex.: TV Cabo

Diagrama: http://www.lightreading.com

Artur Arsenio




casa

cable headend

Rede de distribuio

por cabo (simplificada)

Tipicamente entre 500 a 5.000 casas

Terminal da operadora

servidore(s)

Arquitectura de redes a cabo: Viso Geral

Artur Arsenio




Canais

V

I

D

E

O

V

I

D

E

O

V

I

D

E

O

V

I

D

E

O

V

I

D

E

O

V

I

D

E

O

D

A

T

A

D

A

T

A

C

O

N

T

R

O

L

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Arquitectura de redes a cabo: Viso Geral

FDM:

casa

cable headend

Rede de distribuio

por cabo (simplificada)

Artur Arsenio




Rede Local (LAN - Local AreaNetwork)

da empresa, universidade (ou actualmente j de residncias) liga os sistemas terminais a routers de periferia (edge routers)

Ethernet

Linha partilhada ou dedicada interliga os sistemas terminais ao router de periferia (pacotes com destino externos LAN)

10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet, Terabit Ethernet

Acesso empresarial: Rede Local

Artur Arsenio




Redes de acesso sem fio (wireless)

LANs sem fio (dezenas de metros) ondas de rdio substituem os fios

802.11b/g (WiFi): 11 Mbps ou 54 Mbps

Acesso sem fios com maior cobertura (dezenas de quilmetros)

Oferecido por um operador de telecomunicaes (eg, PT)

WAP (2G cobra tempo de conexo)

GPRS (2,5G 70Kbps-)

EDGE, CDMA2000, WCDMA 3G ~ 384 Kbps (mvel, cobra volume de dados) e 2Mbps (fixo)

Rede de acesso sem fios partilhada interliga sistemas terminais ao router - Via estao base = ponto de acesso access point

estaobase

portteis

router

Artur Arsenio




CDMA2000 or 3GPP2 systemAnother realization of the IMT-2000 vision, standardized under 3GPP2

System has evolved from the 2nd generation IS-95 system

Deployed in most of the regions that had IS-95 presence: the United States, South Korea, Belarus, Romania, some parts of Russia, Japan, and China

CDMA2000 or 3GPP2 systemAnother realization of the IMT-2000 vision, standardized under 3GPP2

System has evolved from the 2nd generation IS-95 system

Deployed in most of the regions that had IS-95 presence: the United States, South Korea, Belarus, Romania, some parts of Russia, Japan, and China

MWIFIndustry forum formed in early 1999 by leading 3G operators, telecommunications equipment providers, and IP networking equipment providers

MWIF ended work continued under the aegis of the Open Mobile Alliance (OMA).

Goal: to develop all-IP mobile network architectures for the core network and RAN as a counterpoint to the 3GPP R4 architecture.

Contains many architectural approaches important for next-generation systems.

MWIFIndustry forum formed in early 1999 by leading 3G operators, telecommunications equipment providers, and IP networking equipment providers

MWIF ended work continued under the aegis of the Open Mobile Alliance (OMA).

Goal: to develop all-IP mobile network architectures for the core network and RAN as a counterpoint to the 3GPP R4 architecture.

Contains many architectural approaches important for next-generation systems.

Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), or 3GPP:One realization of IMT-2000 vision, developed under 3GPP

Significant support in Europe, Japan, and some parts of Asia

System evolved from the 2nd generation Global System for Mobile Communications (GSM). Decision to base 3G specifications on GSM due to:

widespread deployment of networks based on GSM standards

need to preserve backward compatibility

Re-utilization of the large investments made in the GSM networks

Many added capabilities, but the UMTS core network still resembles the GSM network.

Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), or 3GPP:One realization of IMT-2000 vision, developed under 3GPP

Significant support in Europe, Japan, and some parts of Asia

System evolved from the 2nd generation Global System for Mobile Communications (GSM). Decision to base 3G specifications on GSM due to:

widespread deployment of networks based on GSM standards

need to preserve backward compatibility

Re-utilization of the large investments made in the GSM networks

Many added capabilities, but the UMTS core network still resembles the GSM network.

Arquitecturas 3G

Artur Arsenio




CS Domain

CS (Circuit

Switched)

Domain

CS (Circuit

Switched)

Domain

BSS /RNS

BS

S(Base StationSystem) /

RN

S(RadioNetworkSystem)

...

...

HSS(Home Subscriber

Servers)

HSS(Home Subscriber

Servers)

PS Domain

PS (Packet

Switched)

Domain

PS (Packet

Switched)

Domain

MS (Mobile Station)MS (Mobile Station)

MS

Ap

plic

atio

ns a

nd

Serv

ices

NMS(Network Management

Subsystem)

NMS(Network Management

Subsystem)

IMS (Internet

Multimedia

Subsystem)

IMS (Internet

Multimedia

Subsystem)

Access Network Core Network

Arquitectura de Rede 3G UMTSAccess Network Core Network

Artur Arsenio




Redes ResidenciaisComponentes tpicos da rede domstica

de/paraterminal do operador(Cable

Headend)

1. modem

1. ADSL ou cable modem (acesso banda larga Internet)

2. Router/firewall

2. Router/firewall/NAT Firewall: poltica de segurana, filtro de pacotes

NAT: Network Address Translation - traduz IP local para IP do router

4. Ponto de acesso sem fios

Portteis

4. Ponto de acesso sem fios (estao base)

3. Ethernet(pacotes comutados)

3. Ethernet

Artur Arsenio




meios guiados

os sinais propagam-se em meios slidos: cobre, fibra, cabo coaxial

meios no guiados

os sinais propagam-se livremente, ex. rdio

Meios Fsicos

bit

propaga-se entre pares emissor / receptor

canal fsico

o que est entre o emissor e o receptor

Artur Arsenio




Meios Fsicos Guiados: par entranado, cabo coaxial, fibra ptica

Cabo de fibra ptica

fibra de vidro transporta

pulsos de luz, cada pulso

um bit

Alto dbito transmisso ponto a

ponto de alta velocidade (e.g., 10s 100s Gbps)

baixa taxa de erros:

repetidores afastados;

imune a rudo eletromagntico

Cabo coaxial

Dois condutores de cobre

concntricos

fio (transporta o sinal) dentro

de outro fio (blindagem)

bidireccional

banda de base (baseband)

canal nico no cabo sem

Modulao LAN

banda larga (broadband):

mltiplos canais num cabo

Com modulao LAN e TV

Par Entranado (TP -

Twisted Pair)

dois fios de cobre

isolados

Categoria 3: fios

tradicionais de telefone,

Ethernet a 10 Mbps

Categoria 5: Ethernet a

100Mbps, Cat.6 A

1Gbps, Cat.7 a 10Gbps

STP - shielded

UTP - unshielded

Artur Arsenio




Meios Fsicos no Guiados: rdio

sinal transportado em ondas electromagnticas

no h fio fsico

bidireccional

efeitos do ambiente de propagao: reflexo

obstruo por objectos

interferncia

Tipos de ligaes rdio

Wireless LAN (eg IEEE 802.11b/g) 11Mbps, 54 Mbps

Longa distncia (e.g., celular) e.g. 3G, 100s kbps

Microonda terrestre ex.: canais de at 45 Mbps

Satlite canal de at 50Mbps (ou mltiplos

canais menores)

270 mseg de atraso extremo a extremo

Geoestacionrio versus satlites de baixa altitude

Artur Arsenio




O Espectro Eletromagntico e a suautilizao nas telecomunicaes

Cognitve Radio explorar todo o espectro disponvel para comunicaes

Artur Arsenio




A Estrutura da Rede Reviso

A Internet

Protocolos


O ncleo da rede





A Internet

Protocolos


O ncleo da rede





A Periferia da Rede

Modelos de servio: cliente/servidor, P2P

Servio com e sem ligao

O Ncleo da Rede

Comutao de Circuitos

FDM e TDM

Comutao de pacotes

Multiplexagem estatistica

Armazenar-e-retransmitir

Encaminhamento

Comutao de pacotes versus



Redes Fixas e Mveis

Cobre, Cabo Coaxial, Fibra, Rdio

A Periferia da Rede

Modelos de servio: cliente/servidor, P2P

Servio com e sem ligao

O Ncleo da Rede

Comutao de Circuitos

FDM e TDM

Comutao de pacotes

Multiplexagem estatistica

Armazenar-e-retransmitir

Encaminhamento

Comutao de pacotes versus



Redes Fixas e Mveis

Cobre, Cabo Coaxial, Fibra, Rdio

Artur Arsenio




Atrasos e perdas em redes comutadas por pacotes

A

BFila de espera de pacotes (atraso)

buffers livres (disponveis): pacotes que chegam sodescartados (perdidos) se no houver buffers livres

Como ocorrem as perdas de pacotes?

Pacotes esperam em filas nos buffers do router fila (buffer) anterior a um canal possui capacidade finita

Se ritmo de chegada dos pacotes excede a capacidade da linha de sada pacotes esperam em fila pela sua vez para serem transmitidos - atraso

quando um pacote chega e a fila est cheia, o pacote descartado - perdas

Um pacote perdido pode ser retransmitido pelo n anterior, pelo sistema origem, ou no ser retransmitido

Pacotes esperam em filas nos buffers do router fila (buffer) anterior a um canal possui capacidade finita

Se ritmo de chegada dos pacotes excede a capacidade da linha de sada pacotes esperam em fila pela sua vez para serem transmitidos - atraso

quando um pacote chega e a fila est cheia, o pacote descartado - perdas

Um pacote perdido pode ser retransmitido pelo n anterior, pelo sistema origem, ou no ser retransmitido

Artur Arsenio




Quatro fontes de atraso dos pacotes num n de encaminhamento

A

B

transmisso

3. Atraso de transmisso

L/R, R = largura de banda da linha (bps), L=comprimento do pacote (bits)

propagao

4. Atraso de propagao

atraso de propagao = d/s

d = comprimento da linha, s = velocidade

de propagao no meio (~2x108 m/seg)

Processamento no n

1. Processamento no n

verificao de bits errados

identificao da linha de sada (anlise do cabealho)

File de espera (queueing)

2. Fila de espera tempo de espera na linha de

sada at a transmisso

depende do nvel de congesto do router

Artur Arsenio




Atrasos

dproc = atraso de processamento (tipicamente de poucos microssegs ou menos)

dtrans = atraso de transmisso (significativo para canais de baixa velocidade)

dprop = atraso de propagao (poucos microsegs a centenas de msegs)

dqueue = atraso de fila de espera (depende da congesto)

proptransqueueprocn ddddd +++=Num n de encaminhamento

)( proptransproce2e dddNd ++=Assumindo atraso varivel de fila de espera em cada n dqueue ~ 0

e Dproc_i = Dproc , Dtrans_i = Dtrans , Dprop_i = Dprop , i

R R RL

N-1 ns

...n1 n2 nN-1

=

+++=1

0

e2e

N

i

queueproptransproc iiiiddddd

Extremo-a-extremo (e2e)

i = 0 o emissor

Artur Arsenio




Atraso na Fila de Espera

R=largura de banda da ligao (bps)

L=compr. do pacote (bits)

a=taxa mdia de chegada de pacotes

Intensidade de trfego (taxa de chegada/taxa de sada) = La/R

La/R ~ 0: pequeno atraso mdio na fila

La/R -> 1: grande atraso mdio

La/R > 1: chega mais trabalho do que pode ser servido, atraso mdio infinito!

RLTfila / )/(1=

Artur Arsenio




Atrasos e caminhos reais na Internet

Programa TraceRoute : fornece medidas de atraso da fonte at os diversos routers ao longo do caminho at o destino final na internet. Para cada i:

Envia trs pacotes at o router i no caminho para o destino.

O router i retorna os pacotes ao transmissor

O transmissor mede o intervalo de tempo decorrido entre a transmisso e a chegada da resposta.

3 probes

3 probes

3 probes

Como medir os atrasos e as perdas reais da Internet?

Artur Arsenio




Exemplo

1 cs-gw (128.119.240.254) 1 ms 1 ms 2 ms2 border1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu (128.119.3.145) 1 ms 1 ms 2 ms3 cht-vbns.gw.umass.edu (128.119.3.130) 6 ms 5 ms 5 ms4 jn1-at1-0-0-19.wor.vbns.net (204.147.132.129) 16 ms 11 ms 13 ms 5 jn1-so7-0-0-0.wae.vbns.net (204.147.136.136) 21 ms 18 ms 18 ms 6 abilene-vbns.abilene.ucaid.edu (198.32.11.9) 22 ms 18 ms 22 ms7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu (198.32.8.46) 22 ms 22 ms 22 ms8 62.40.103.253 (62.40.103.253) 104 ms 109 ms 106 ms9 de2-1.de1.de.geant.net (62.40.96.129) 109 ms 102 ms 104 ms10 de.fr1.fr.geant.net (62.40.96.50) 113 ms 121 ms 114 ms11 renater-gw.fr1.fr.geant.net (62.40.103.54) 112 ms 114 ms 112 ms12 nio-n2.cssi.renater.fr (193.51.206.13) 111 ms 114 ms 116 ms13 nice.cssi.renater.fr (195.220.98.102) 123 ms 125 ms 124 ms14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (195.220.98.110) 126 ms 126 ms 124 ms15 eurecom-valbonne.r3t2.ft.net (193.48.50.54) 135 ms 128 ms 133 ms16 194.214.211.25 (194.214.211.25) 126 ms 128 ms 126 ms17 * * *18 * * *19 fantasia.eurecom.fr (193.55.113.142) 132 ms 128 ms 136 ms

no rot nome rot IP rot RTT-pac1 RTT-pac2 RTT-pac3

Traceroute: gaia.cs.umass.edu para www.eurecom.fr

* means no reponse (probe lost, router not replying)

trans-oceaniclink

Artur Arsenio




Medidas de Desempenho: atraso e perda Reviso

A Internet

Protocolos


O ncleo da rede





A Internet

Protocolos


O ncleo da rede





Perda de Pacotes na Fila de Espera

Fontes de atraso dos pacotes

Atrasos no N e na Rede

Atrasos e caminhos reais na

Internet

o programa TraceRoute

Perda de Pacotes na Fila de Espera

Fontes de atraso dos pacotes

Atrasos no N e na Rede

Atrasos e caminhos reais na

Internet

o programa TraceRoute

Artur Arsenio




Ligao de um Terminal Rede

Como?

Artur Arsenio




Camadas, Protocolos, e Interfaces

Web Server Web Client

Application

Services Application logic

protocol

Application

Services

Reliable delivery

protocol

Communication

Service

Communication

Service

Layer

Interface

Transfer bits

protocol

Network

Services

Network

Services

Layer

Interface

Servios

Cada camada oferece servios camada de cima

Define o que a camada faz, semntica da camada

Interfaces

Como aceder aos servios da camada

Define parmetros e resultados

Artur Arsenio




Analogia: Funcionalidade de uma empresa area em camadas

bilhete (compra)

bagagem (desp.)

porto (embarque)

pista (subida)

Controlo do voo

Aeroporto

de partidaAeroporto

de chegada

centros de controle de trfego

areo intermedirios

Controlo do voo Controlo do voo

bilhete (reclam.)

bagagem (recup.)

porto (desembq)

pista (aterriss.)

Controlo do voo

Bilhete

Bagagem

Porto

Subida/aterris.

Encaminhamento

Camadas: cada camada implementa um servio atravs das suas prprias aces internas camada

com base nos servios fornecidos pela camada inferior

Camadas: cada camada implementa um servio atravs das suas prprias aces internas camada

com base nos servios fornecidos pela camada inferior

uma srie de passos...

Artur Arsenio




Porqu dividir em Camadas de Protocolos?

Lidar com sistemas complexos, reduo da complexidade ao planear redes...

Uma estrutura explcita permite a identificao e relacionamento entre as partes de um sistema complexo

modelo de referncia de camadas para discusso

Modularizao facilita a manuteno e actualizao do sistema

mudana da implementao do servio de uma camada transparente para o resto do sistema

ex., mudana nos procedimentos dos portes de embarque no alteram o resto do sistema

Diviso em camadas considerada prejudicial?

Desvantagem potencial: duplicao de funcionalidades

Artur Arsenio




Modelos de Referncia

Um Modelo de Referncia, ou Famlia de

Protocolos, define as caractersticas lgicas

e fsicas das redes

Normalmente divididos em nveis

Os nveis so independentes mas esto

relacionados

Permitem vrias realizaes compatveis

TCP/IP, OSI

Artur Arsenio




Pilha de Protocolos Internet (TCP/IP)

As redes so complexas! Como organizar a estrutura da rede?

Muitas partes: mquinas, routers, ligaes por vrios meios,

aplicaes, protocolos, hardware, software

aplicao

transporte

rede

lgica

fsica

Aplicao: d suporte a aplicaes de rede FTP, SMTP, HTTP

Transporte: transferncia de segmentos de dados extremo-a-extremo (TCP, UDP)

Rede: comutao de datagramas da origem at destino IP, protocolos de comutao

Lgica (ou ligao de dados): transferncia de tramas de dados entre elementos de rede vizinhos controlo de fluxo e de erros troo a troo

PPP, Ethernet, Placa de interface de rede

Fsica: bits on the wire envio e recepo de bits, codificao dos simbolos, pinos nas fichas

Artur Arsenio




Camadas de Protocolo - Princpios

cada camada corresponde a um nvel de abstrao necessrio no modelo

cada camada possui funes prprias e bem definidas as funes de cada camada foram escolhidas segundo a definio dos protocolos normalizados internacionalmente

as fronteiras entre camadas devem ser definidas de modo a minimizar o fluxo de informao nas interfaces

o nmero de camadas deve ser suficientemente grande para que funes distintas no precisem ser colocadas na mesma camada e, ao mesmo tempo, suficientemente pequeno que no torne a arquitectura difcil de controlar.

Objectivo Camada? Fornecer funcionalidade s camadas mais acima

Artur Arsenio




Nvel Fsico

Funes: conseguir transmitir 1 bit de informao sobre meio fsico de interligao Velocidade de propagao, atenuao, imunidade ao rudo, etc.

Nvel Fsico define: Nveis elctricos do sinal, caractersticas temporais

Protocolos de codificao, baseados no funcionamento da rede (taxa de erros, recuperao de relgio, )

Placas de interface (network cards) Interface elctrica

Aspectos mecnicos dos conectoresBus

Anel (ring)

Malha (mesh)

Artur Arsenio




Nvel Lgico ou Ligao de Dados

Ethernet

ATMFrame

Relay

GPRS

UMTS

Funes: transmisso de pacotes, ou tramas, entre mquinas ligadas mesma rede fsica

Nvel Lgico define: Delimitadores de trama

Endereo fsico do destinatrio

Multiplexagem do meio de transmisso (emissor)

Deteco do endereo do destinatrio (receptor)

Definio da unidade bsica de informao (bit, octeto)

Recuperao de erros de transmisso

Controlo de fluxo

Artur Arsenio




Nvel Rede

Funes: interligar mquinas independentemente da rede fsica a que esto ligadas

Uma rede lgica passa a ser composta pela interligao de vrias redes fsicas

Nvel Rede define: Formato dos pacotes de dados

Mecanismos de encaminhamento entre redes Fundamental para redes malhadas

Normalmente baseados em tabelas de encaminhamento

Protocolo de rede OSI: X.25 Com ligao, sequencialidade, controlo de fluxo

Protocolo de rede Internet: IP Sem ligao nem garantias de qualidade

Rede IP

Artur Arsenio




Nvel Transporte

Funes: oferecer um servio de transmissode informao que permita a comunicaoentre utilizadores finais

Caractersticas Com ou sem ligao

Comunicao fivel Garantia de entrega

Garantia de ordem

Fragmentao

Controlo de fluxo

Notificao de excepes na comunicao

Rede TCP

Processo Utilizador

Processo Utilizador

Artur Arsenio




Camadas: Transporte

recebe dados da aplicao

adiciona endereo e verificao de erro para formar um pacote

envia o pacote para o seu par

espera que o seu par lhe envie a confirmao (ack)

aplicaotransporte

redeligaofsica

aplicaotransporte

redeligaofsica

aplicaotransporte

redeligaofsica

aplicaotransporte

redeligaofsica

redeligaofsica

dados

dados

dados

transporte

transporte

ack

Artur Arsenio




Encapsulamento Data Encapsulation

mensagemsegmento

datagrama

Frame (trama)

aplicaotransporte

redeligao

fsica

HtHnHl M

HtHn M

Ht M

M

destino

HtHnHl MHtHn M

Ht M

M redeligao

fsica

ligao

fsica

HtHnHl M

HtHn M

HtHnHl M

HtHn M

HtHnHl MHtHnHl M

router

switch

aplicaotransporte

redeligao

fsica

origem

Artur Arsenio




A Internet como um Relgio de Areia

IP

TCP / UDP

Ethernet GPRS 802.11 BluetoothSatlite

Web Audio VoIP Web ServicesMail Video IM

Difcil de alterarPassvel de alteraes

Maior inovao

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Modelo de Referncia OSI Aplicao

Apresentao

Sesso

transporte

rede

ligao

fsica

(camada)

Artur Arsenio




OSI

Camadas OSI: Open Systems Interconnection (Interligao de Sistemas Abertos)

Sesso

Apresentao

Aplicao

Controlo do dilogo (gesto de

tokens) e sincronizao

Representao de dados, sintaxe

e semntica, cifra e compresso

Aspectos especificos da aplicao

Binding protocol,

DCE-RPC

XML, XDR, SSL

HTTP, FTP,

SMTP, Corba,

IIOP, SOAP, RMI

Os nveis mais elevados do modelo OSI implicam a integrao

com o sistemas operativos e com as aplicaes

Aplicao

Apresentao

Sesso

transporte

rede

ligao

fsica

Artur Arsenio




Camadas de Protocolos, Modelos de Servio Reviso

A Internet

Protocolos


O ncleo da rede





A Internet

Protocolos


O ncleo da rede





Pilha de Protocolos

(Modelo TCP/IP)

Camadas de

Protocolo

Encapsulamento

Modelo OSI

Pilha de Protocolos

(Modelo TCP/IP)

Camadas de

Protocolo

Encapsulamento

Modelo OSI

Artur Arsenio




Estrutura da Internet: rede de redes

Hierrquicamente fraca

No centro: ISPs de primeira linha tier-1 - cobertura nacional/internacional (eg. Sprint, AT&T) trata cada um dos outros como igual

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

NAP

Os fornecedores de

primeira linha tambm

interligam-se em pontos de

acesso pblicos (NAP

network access points)

Os fornecedores

de primeira linha

(Tier-1) interligam-

se (peer) de forma

privada

Artur Arsenio





Tier-2 ISPs: ISPs menores (normalmente regionais)

Ligao a um ou mais ISPs tier-1, possivelmente a outros ISPs tier-2

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier-2 ISP Tier-2 ISP


Tier-2 ISP

Os ISPs de segunda

linha pagam a ISPs

de primeira linha pela

conectividade ao

resto da Internet

um ISP tier-2

cliente de um

fornecedor

tier-1

ISPs de segunda

linha tambm se

interligam

privadamente ou

no NAPNAP

Artur Arsenio





ISPs de terceiro nvel (Tier-3) e ISPs locais Redes de acesso, mais prximas dos sistemas terminais

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP



Tier-2 ISP

localISP

localISP

localISP

localISP

localISP Tier 3

ISP

localISP

localISP

localISP

Os ISPs locais

e de terceiro

nvel so

clientes de

ISPs de nvel

mais elevado

que os ligam

ao resto da

Internet

NAP

Artur Arsenio




Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP



Tier-2 ISP

localISP

localISP

localISP

localISP

localISP Tier 3

ISP

localISP

localISP

localISP

NAP


Um pacote pode passar por muitas redes!

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP



Tier-2 ISP

localISP

NAP

localISP

localISP

localISP

localISP Tier 3

ISP

localISP

localISP

localISP

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ISPs de primeira linha

Rede Americana de backbone da Sprintwww.geant.net

Europa: Rede GEANT

Artur Arsenio




Portugal: Fundao para a Computao Cientifica Nacional

Aveiro

Coimbra

Cetil

Entroncamento

Vermoim

Lisboa

Canal existente

10G

Redes Privadas de InvestigaoDispersion Compensation

Amplifier

Transponder

Par de Fibras negrasG652

G655

Artur Arsenio




Dimenses das Redes

Artur Arsenio



AnexoAnexo

Atrasos na Fila de

Espera - Analogia

Artur Arsenio




Analogia com uma Caravana

Os carros propagam-se a

100 km/h

A portagem demora 12 seg a

servir um carro (tempo de

transmisso)

carro~bit; caravana ~ pacote

Tempo para atravessar toda a caravana

atravs do 1 portagem para a auto-estrada

= 12*10 = 120 sec = 2 minutos

Tempo para que o ltimo carro se propagar

da 1 para a 2 portagem: 100km/(100km/h)=

1 h =60 min

Tempo para atravessar toda a caravana

atravs do 1 portagem para a auto-estrada

= 12*10 = 120 sec = 2 minutos

Tempo para que o ltimo carro se propagar

da 1 para a 2 portagem: 100km/(100km/h)=

1 h =60 min

PortagemPortagem120s/pac

Caravanade dez carros

100 km

100 km3600s

300carros = 30 pacotes

Quanto tempo leva at a caravana estar alinhada antes da segunda portagem?

Resposta: 60 + 2 = 62 minutosResposta: 60 + 2 = 62 minutos

Artur Arsenio




Analogia com uma caravana (cont.)

Aps 7 min, o 1 Carro chega 2 Portagem e ainda h 3 carros na 1 portagem(+1 h sada desta)

O 1 bit do pacote pode chegar ao 2 Router antes que o pacote tenha sidototalmente transmitido no 1 router!

Necessrio armazenar e esperar pelos outros bits

Aps 7 min, o 1 Carro chega 2 Portagem e ainda h 3 carros na 1 portagem(+1 h sada desta)

O 1 bit do pacote pode chegar ao 2 Router antes que o pacote tenha sidototalmente transmitido no 1 router!

Necessrio armazenar e esperar pelos outros bits

Chegam carros 2 portagem antes de todos os carros serem servidos na 1 portagem?

PortagemPortagem10min/pac

Caravanade dez carros

100 km

100 km6 min

6 carros

Agora os carros propagam-se a 1000 km/h, e a portagem demora 1 min para servir um carro

Resposta: SimResposta: Sim

Artur Arsenio



AnexoAnexo

Unidades de Medida

Artur Arsenio




Unidades de Medida

Introdução às Redes de Computadores e Internet · Artur Arsenio Redes de Computadores 2010/2011...

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