Redes de Computadores - ufjf.br · Arquitetura em camadas Princípio do “Dividir para Conquistar” • Projetar uma rede como um conjunto hierárquico de camadas Cada camada usa

Redes de Computadores

Introdução

Introdução:Redes de Computadores

● Objetivos● definir contexto e terminologia● visão geral

● (detalhes virão ao longo do curso)● abordagem: Internet como exemplo● Modelagem de pontos “mais importantes”

Redes de computadores

Historicamente ...● Interconexão de computadores autônomos

• compartilhamento de recursos

• maior confiabilidade

• diminuição de custos

Redes de computadores● Componentes básicos

● hardware, software, estrutura de telecomunicação

● Funcionamento integrado desses componentes

• compreensão de tecnologia de redes

e interconectividade

Redes de computadores● Arranjo topológico que interliga vários

módulos processadores por enlaces físicos e protocolos

● Alternativas dependem do tipo de rede

• LAN, MAN ou WAN● Topologia determina os caminhos utilizáveis

para comunicação entre um par de estações

Ligação Física● Ponto a ponto

● 2 pontos de ligação com uma

extremidade em cada nó

- em geral, redes maiores● Multiponto● 2 ou mais dispositivos

utilizam o mesmo enlace

- em geral, redes menores

Ligação Lógica● Unicast: transmissão possui

par origem-destino (1 para 1)

● Broadcast: estação envia uma

única mensagem para todas as

estações de uma rede

(1 para todos)

● Multicast: estação envia uma

única mensagem para um grupo

(subconjunto) de estações da

rede (1 para alguns)

Topologia de Rede

Topologia completa ou totalmente conectada

● Conexão direta entre todo par de nós

• Grande eficiência

• Alto custo, principalmente:

• com grande número de nós

• com grandes distâncias entre

os nós

• relativo à manutenção

Topologia parcialmente conectada

● Conexão indireta entre qualquer

par de nós

• Mantêm-se caminhos alternativos

• contra falhas

• contra congestionamentos

Topologia em árvore

● Modelo comum para distribuição de

informação● Problemas na comunicação entre

“folhas” da árvore

Topologia em estrela● Cada nó é interligado a um nó central● Nó central pode atuar:

• como gerente

• compatibilizando taxas de

transmissão e recepção

• como conversor de protocolos

Topologia em anel● Unidirecional

• usada em redes óticas● Retirada da mensagem pode ser

realizada pela origem ou pelo destino

● Vulnerável a falhas em qualquer enlace ou nó,

devido à ausência de caminhos alternativos

Topologia em barra● Configuração multiponto

• Difusão em meio físico compartilhado

• meio físico confinado

• Controle de acesso ao meio

Rede sem fio● Diferente de computação

móvel

• Difusão em meio físico compartilhado

• meio físico não confinado

• Controle de acesso ao meio

Protocolos● Protocolos humanos

• definem procedimentos para comportamento● Protocolos de rede

• descrição formal do formato de mensagens e

regras para troca dessas mensagens

• sintaxe, semântica e sincronização da

comunicação

Protocolos

Protocolos de rede

Hierarquia de Protocolos

Hierarquia de ProtocolosCamadas, protocolos e interfaces

Arquitetura em camadas● Princípio do “Dividir para Conquistar”

• Projetar uma rede como um conjunto

hierárquico de camadas● Cada camada usa os serviços da

camada imediatamante inferior para

implementar e oferecer os seus

serviços à camada superior● A implementação de cada camada é

independente das demais

Hierarquia de Protocolos● Interface define que serviços uma camada

inferior oferece à camada superior● Arquitetura de rede é um conjunto de

camadas e protocolos● Cada camada acrescenta um cabeçalho aos

dados da camada anterior● Cabeçalhos contêm informações de controle

Arquitetura TCP/IP● Origem na ARPANET (futura Internet)

• objetivo inicial era manter a comunicação fim a fim funcional, mesmo que alguns enlaces ou sistemas intermediários falhassem

• rede com comutação de pacotes baseada em uma camada inter-rede não orientada à conexão

● TCP/IP é uma família de protocolos, onde o TCP e o IP são os principais

• TCP - Transmission Control Protocol

• IP - Internet Protocol

Arquitetura TCP/IP

5 camadas

aplicação

transporte

rede

enlace

física

Transmissão dos Dados

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

Dados

Transmissão dos Dados

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

Física

Enlace

Rede

Transporte

AplicaçãoDadosA

Transmissão dos Dados

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

DadosAT A

Transmissão dos Dados

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

DadosATR

Transmissão dos Dados

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

DadosATREE EEEE

Transmissão dos Dados

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

DadosATREE EEEEEEEEF F

Transmissão dos Dados

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

DadosATREE EEEEEEEEF F

Transmissão dos Dados

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

DadosATREE EEEE

Transmissão dos Dados

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

DadosATR

Transmissão dos Dados

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

DadosAT A

Transmissão dos Dados

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

Física

Enlace

Rede

Transporte

AplicaçãoDadosA

Transmissão dos Dados

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

Física

Enlace

Rede

Transporte

Aplicação

Dados

Introduction 1-38

Pilha de Protocolos Aplicação: suporta aplicações de rede FTP, SMTP, HTTP

Transporte: transferência de dados entre processos TCP, UDP

Rede: roteamento de datagramas da origem ao destino IP, protocolos de roteamento

Enlace: dados transferidos entre elementos vizinhos da rede PPP, Ethernet

Física: bits “no cabo”

aplicação

transporte

rede

enlace

física

Internet● Milhões de elementos

computacionais interligados

hospedeiros = sistemas finais● Executando aplicações distribuídas● Enlaces de comunicação

● fibra, cobre, rádio, satélite, …

taxa de transmissão largura de banda● Roteadores: encaminham dados

Home network

Institutional network

Mobile network

Global ISP

Regional ISP

Internet● Internet: “Rede de redes”

Estrutura hierárquica● Padrões Internet

RFC: Request for comments

IETF: Internet Engineering Task Force● Protocolos de rede em hierarquia

Arquitetura TCP/IP

wikipedia

Introduçãon 1-41

Borda da RedeSistemas finais (hosts):Executam aplicações Web, email

client/server

peer-peer Modelo cliente servidorCliente requisita e recebe serviços

disponibilizados pelo servidor e.g. Web browser/server; email

client/server

Modelo peer-peer Mínimo uso de servidores

dedicadosSkype, BitTorrent

Introduction 1-42

Núcleo da RedeMalha de roteadores

interconectadosQuestão Fundamental: como transferir os

dados através da rede?Comutação de circuitos:

circuito dedicado a cada chamada, e.g, rede telefônica

Comutação de pacotes: dados enviados em pacotes discretos

Serviços de Internet● Infra-estrutura de comunicação

permite aplicações distribuídas:

Web, e-mail, jogos, e-commerce,

compartilhamento de arquivo, ...● Serviços de comunicação

sem conexão

orientado à conexão

Estrutura da Internet:Redes de Redes

● Estrutura hierárquica● No centro: ISPs de “zona-1” (ex.: UUNet,

BBN/Genuity, Sprint, AT&T), cobertura nacional/internacional

Estrutura da Internet:Redes de Redes

● ISPs de “Zona-2”: ISPs menores (freqüentemente regionais)

● Conectam-se a um ou mais ISPs de Zona-1,

possivelmente a outros ISPs de Zona-2

Estrutura da Internet:Redes de Redes

● ISPs de “Zona-3” e ISPs locais● Última rede de acesso (“hop”) (mais próximos

dos sistemas finais)

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier-2 ISPTier-2 ISP

Tier-2 ISP Tier-2 ISP

Tier-2 ISP

localISPlocal

ISPlocalISP

localISP

localISP Tier 3

ISP

localISP

localISP

localISP

Local and tier- 3 ISPs are customers ofhigher tier ISPsconnecting them to rest of Internet

Fim-a-Fim

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier-2 ISPTier-2 ISP

Tier-2 ISP Tier-2 ISP

Tier-2 ISP

localISPlocal

ISPlocalISP

localISP

localISP Tier 3

ISP

localISP

Sistemas Autonomos

Sistemas Autonomos

Desempenho: Perdas e Atrasos● Pacotes são enfileirados nos buffers dos

roteadores

Taxa de chegada maior que a capacidade de saída do enlace

● Pacotes são enfileirados, esperando a vez de serem servidos

A

B

Pacote sendo transmitido (atraso)

Pacotes enfileirados (delay)Pacotes são descartados caso não haja espaço no buffer

Introduction 1-51

Quatro fontes de atraso

1. processamento no nó: Verificando erros de bits

A

B

propagação

transmissão

Processamentonó enfileiramento

2. fila Tempo de espera para ser

enviado ao enlace de saída Depende do nível de

congestionamento do roteador

Introduction 1-52

Atraso em redes de comutação de pacotes3. Atraso de transmissão:

R=banda enlace (bps) L=tamanho pacote (bits)

Tempo para envio dospacotes no enlace = L/R

4. Atraso de propagação:d = tamanho do enlace físicos = velocidade de propagação (~2x108 m/sec)Atraso de propagaçao = d/s

A

B

propagação

transmissão

Processamentonó enfileiramento

Nota: s e R são medidas diferentes!

Introdução 1-53

Atraso em um nó

dproc

= atraso de processamento Tipicamente poucos microsecs ou menos

dqueue =atraso de fila Depende do congestionamento

dtrans

= atraso de transmissão = L/R, significante para enlaces de baixa velocidade

dprop

= atraso de propagação Poucos microsecs até centenas de msecs

proptransqueueprocnodal ddddd +++=

Introduction 1-54

Atraso de fila

R=banda enlace (bps)L=tamanho pacote (bits)a=taxa média de chegada de pacotes

Intensidade do tráfego = La/RLa/R ~ 0: atraso médio pequenoLa/R -> 1: atraso grandeLa/R > 1: atraso médio pode tender ao infinito, dado que chegam mais pacotes do que é possível servir

Introduction 1-55

Atraso e rotas na Internet

O que é o atraso em redes de computadores? Traceroute: programa que mede o atraso fim-a-fim entre origem e todos os roteadores até o destino. Para todo o roteador i: Envia três pacotes ao roteador i no caminho do destino Roteador i retorna o pacote a origem Origem calcula o intervalo entre o envio e a resposta

3 probes

3 probes

3 probes

Introduction 1-56

Atrasos e rotas na Internet

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

traceroute: gaia.cs.umass.edu to www.eurecom.frThree delay measurements from gaia.cs.umass.edu to cs-gw.cs.umass.edu

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

trans-oceaniclink

Introduction 1-57

Perda de Pacotes

Fila que precede o enlace possui capacidade finitaPacotes que chegam e encontram a fila completa são descartados (perdidos)Pacote pode ser retransmitido pelo nó precedente, pela origem, ou por nenhum dos dois

A

B

Pacote sendo transmitido

Pacote que chegacom buffer cheio perdido→

buffer (espera)

Sequência Curso