Fundamentos de Redes de Computadores1 Motivação: Por que estudar Redes? Principais conquistas tecnológicas do século XX: aquisição, processamento, distribuição

Fundamentos de Redes de ComputadoresFundamentos de Redes de Computadores 11

Motivação: Por que estudar Redes?Motivação: Por que estudar Redes?

Principais conquistas tecnológicas do século XX: aquisição, processamento, distribuição de informações. Aconteceu uma explosão no número de computadores e usuários;

Evoluindo, os sistemas da sociedade estão baseados em computação e comunicação – são inúmeros os serviços disponíveis exclusivamente na Internet ;

Século XXI (01/01/2001 a 31/12/2100): demandas cada vez mais sofisticadas.


Crescimento da Internet (1)Crescimento da Internet (1)

Contam-se os endereços IP que tem nomes atribuídos a elesContam-se os endereços IP que tem nomes atribuídos a eles(Fonte: ftp.isc.org/www/survey/reports/current/hosts.png)(Fonte: ftp.isc.org/www/survey/reports/current/hosts.png)


Crescimento da Internet (2) Crescimento da Internet (2)

Fonte: www.internetworldstats.com/stats.htmFonte: www.internetworldstats.com/stats.htm


AntesAntes

CPD: Centro de Processamento de Dados – centralizado com computadores de grande porte.

Início da década de 80: surgimento dos PCs. (ainda não em rede)


Década de 90Década de 90

Computadores autônomos interconectados; Internet tornou-se o componente central da infra-

estrutura mundial de telecomunicações: Rede de Redes. Dobra a cada 15 meses.

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HojeHoje

Estão na Internet:Praticamente todos os sistemas públicos;Sistemas comerciais de maneira cada vez mais consistente (e-commerce).Sistemas de comunicação pessoal e empresarial (e-mail, video-conferência, chat...); Sistemas bancários.Lazer e informação...

Com cloud computing (A volta do CPD?), onde se “centralizam” aplicações, plataformas e infra-estrutura, pressupõe-se uma rede particularmente forte (robusta, segura)


Objetivo da IntroduçãoObjetivo da Introdução

• Obter contexto, terminologia, “sentimento” sobre redes.

• Apresenta-se um panorama geral das redes e da Internet,

incluindo aspectos de hardware e software.

• Apresenta-se princípios fundamentais de arquitetura

• Maior profundidade e detalhes serão vistos ao longo do curso


RoteiroRoteiro

1.1. Usos de Redes de ComputadoresUsos de Redes de Computadores

2.2. Hardware de RedeHardware de Rede

3.3. Software de redeSoftware de rede

4.4. Modelos de ReferênciaModelos de Referência

5.5. A InternetA Internet


Aplicações ComerciaisAplicações Comerciais

Cliente/Servidor Servidores: Poderosos Computadores onde os dados

são armazenados; Clientes: Máquinas mais simples que acessam os

dados remotos.

Um servidor cuida de um número grande de clientes

Empresas maiores reúnem as redes através de VPNs – Virtual Private Networks.


Aplicações DomésticasAplicações Domésticas

Não-Hierárquica (Peer-to-peer)Indivíduos constituem grupo livre que podem se comunicar com outros participantes do grupo;Exemplo: Napster, KaZaA (neoNapster). Em 2000 teve 50 milhões de fãs, caracterizando a maior violação de direitos autorais da história.

Messenger, twitter, facebook, wiki, leilão on-line, IPTV, jogos; Imagine uma aplicação – você pode ficar rico!

Ex: chuveiro com visor de quanta água já gastou (dentro e fora do banheiro...)


Usuários MóveisUsuários Móveis

Há distinção entre redes sem fio fixas e redes sem fio móveis;

Smartphones: convergência entre telefonia e internet. (que tal realizar compra com débito na conta de celular?)

Mobile Commerce: m-commerce; Redes de Sensores; Computadores Embarcados (“bat-relógio”).

Computação ubíqua: computação embutida no dia-a-dia => redes sem fio cada vez mais importantes.


Implicações sociaisImplicações sociais

Novos problemas (sociais, morais, políticos ...): Excesso de informações, informações sem filtro, por vezes

ofensivas; Censurar? Leis conflitantes nos países. (ex: cassinos e jogadores de países diferentes).

Qual o papel dos operadores? Gmail pode ler seu e-mail... Como combater pirataria? Envio de mensagens anônimas, permite-se? Empregador pode investigar e-mail do empregado? E na

Universidade? E o Governo? Fraudes em grande escala – O crime organizado usa a

Internet. Roubo de identidade (phishing) através de coleta de dados.

Tribunais podem se lotar de casos.. .


RoteiroRoteiro







Hardware - TecnologiasHardware - Tecnologias

Há 2 tipos de tecnologias de transmissão:

Links de difusão (Broadcast) Um canal de comunicação compartilhado por todas

as máquinas da rede – pode incluir multicast;

Links Ponto-a-Ponto A rede é feita de conexões entre pares de máquinas.

Normalmente redes menores, geograficamente próximas tendem a usar broadcast e redes maiores tendem a usar ponto-a-ponto.


EscalaEscala


PANs - Personal Area NetworksPANs - Personal Area Networks

Redes que se comunicam com o alcance de uma pessoa.

Tipicamente para conectar um computador a seus dispositivos periféricos.

Bluetooth – projeto de rede pessoal sem fio mais comum.

O PC é o mestre , os dispositivos os escravos. O mestre diz aos escravos que endereços usar, que frequência usar, quando acessar o meio e tudo o mais necessário para comunicação.


LAN – Local Area NetworksLAN – Local Area Networks

Características que a distinguem das demais: Privativas em um prédio ou campus de poucos quilômetros de

tamanho – no pior caso o tempo de transmissão é conhecido;

Tecnologia de transmissão: normalmente um switch ao qual as máquinas se conectam com alta velocidade e baixa taxa de erros ou um ponto de acesso (AP) no caso de redes sem fio do tipo WiFi;

Redes empresariais tendem a configurar VLANs (Virtual LANs) – a rede física não reflete a estrutura organizacional. Redes domésticas crescerão na medida da disponibilidade dos serviços úteis e baratos. (Serão sem fio?)


MAN – Metropolitan Area NetworksMAN – Metropolitan Area Networks

Características: Versão aumentada da LAN – normalmente usa

tecnologia similar – cobre grupo de escritórios; pública ou privada

Rede de TV a cabo. Operadoras começaram a oferecer serviços de Internet em partes não utilizadas do espectro. WiMax


WAN – Wide Area NetworksWAN – Wide Area Networks

Grandes áreas geográficas – país ou continente;Grandes áreas geográficas – país ou continente;

Os hosts estão conectados por uma sub-rede de Os hosts estão conectados por uma sub-rede de comunicação que consiste dos componentes: comunicação que consiste dos componentes: linhas de transmissão que movem os bits entre as linhas de transmissão que movem os bits entre as máquinas;máquinas; elementos de comutação – computadores elementos de comutação – computadores especializados que conectam linhas de transmissão especializados que conectam linhas de transmissão (roteadores) . (roteadores) .

Surgem ISPs Surgem ISPs

(Internet Service Providers)(Internet Service Providers)

Exps: Redes de satélites,Exps: Redes de satélites,

Redes de celular.Redes de celular.


A RNPA RNP

A RNP foi criada em 1989 pelo Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT) com o objetivo de construir uma infra-estrutura de rede Internet nacional para a comunidade acadêmica. A rede começou a ser montada em 1991. Em 94, já atingia todas as regiões do país.

Telefonia sobre a rede Internet, TV digital transmitida pela rede, educação a distância e videoconferência IP são algumas das aplicações que estão sendo implantadas.


Backbone Backbone da RNPda RNP


RoteiroRoteiro

1.1.Usos de Redes de ComputadoresUsos de Redes de Computadores

2.2.Hardware de RedeHardware de Rede

3.3.Software de redeSoftware de rede

4.4.Modelos de ReferênciaModelos de Referência

5.5.A InternetA Internet


Comutação de PacotesComutação de Pacotes

A mensagem é dividida em pacotes – mensagens de tamanho menor - cada um com seu número de seqüência.

Com esta divisão da mensagem em pacotes: Ninguém monopoliza a rede por muito tempo; Ao perder um pacote só este deve ser retransmitido,

não a mensagem inteira.

Kleinrock em 1964 publicou o primeiro trabalho sobre comutação de pacotes. (Donald Davies? Larry Roberts? Baran?)

Em 1969 supervisionou a primeira mensagem recebida no primeiro nó na Universidade da Califórnia.


Comutação de PacotesComutação de Pacotes

Roteadores normalmente interligados por rede ponto-a-ponto (store-and-forward ou comutação de pacotes): o pacote é recebido por roteador intermediário, armazenado e encaminhado quando a linha solicitada for liberada.


Atrasos e Perdas em Redes de Atrasos e Perdas em Redes de Comutação de Pacotes (Kurose) - 1Comutação de Pacotes (Kurose) - 1

Calcular o atraso no nó A (roteador)

Atraso de Processamento: Examinar cabeçalho do pacote e determinar para onde direcioná-lo; verificar erros (da ordem de microsegundos ou menos). Direcionar a fila para roteador B.

Atraso de Fila: depende da intensidade e natureza do tráfego – se fila vazia, atraso zero. (da ordem de micro a milisegundos).


Atrasos e Perdas em Redes de Atrasos e Perdas em Redes de Comutação de Pacotes (Kurose) - 2Comutação de Pacotes (Kurose) - 2

Atraso de Transmissão: tempo para “empurrar” bits para o enlace. Suponha FIFO – Considerar:R = largura de banda do link (bps)L = tamanho do pacote (bits)

Tempo para enviar bits ao link = L/R (da ordem de micro a milisegundos).

Atraso de Propagação: tempo para propagar o bit do inicio do enlace ao fim. Considerar:d = comprimento do link físicos = velocidade de propagação no meio (2x108 a 3x108 m/s – velocidade da luz em um meio)

Atraso de propagação = d/s. (em WANs da ordem de milisegundos)

proptransfilaprocno ddddd


Carro = bit; caravana = pacote

Carros se “propagam” a 100 km/h

Pedágios levam 12 s para atender um carro (TTransmissão). O primeiro carro aguarda os outros 9 antes de passar.

Quanto tempo levará até a caravana ser alinhada antes do 2o pedágio?

Tempo para “empurrar” a caravana toda pelo pedágio até a estrada = 12 . 10 = 120 s = 2 min (TTransmissão)

Tempo para o último carro se propagar do 1o ao 2o pedágio: 100 km/(100 km/h) = 1 h = 60 min (TPropagação)

Resposta: 62 minutos

pedágiopedágiocaravana de 10 carros

100 km

100 km

Analogia da caravana (Kurose)


Atrasos de Fila (Kurose) Atrasos de Fila (Kurose)

O atraso mais complicado e interessante é o atraso de fila, varia de pacote a pacote: se 10 pcs chegarem a uma fila o primeiro não espera, e o último espera 9 pcs. Usa-se estatística.

R = largura de banda do link (bps)L = tamanho do pacote (bits) (simplificação: todos tem mesmo

tamanho)a = taxa média de chegada de pacotes (pcs/sec)

Taxa média com que os bits chegam a fila La bits/sec

Intensidade de tráfego = La/RLa/RLa/R ~ 0: atraso médio de fila pequenoLa/R -> 1: atraso se torna grandeLa/R > 1: mais trabalho chega do que a

capacidade de transmissão. O atraso médio cresce indefinidamente!


Software de RedeSoftware de Rede

O software permite que a comunicação se efetive. Protocolos: Conjunto de Regras e Convenções que

permite a troca de informações.

Exemplo: Saudar uma moça americana e a Rainha da Inglaterra exige convenções diferentes.

Protocolos estruturados em camadas ou níveis: permite flexibilidade e independência na implementação das tarefas.


Comunicação em NíveisComunicação em Níveis

Exemplo: Conversa de filósofosNível 3Filósofo A: urdo e

inglêsFilósofo B: Chinês e

FrancêsNível 2Tradutores

conversam em Holandês

Nível 1Secretárias

transmitem a mensagem.


Pilha de ProtocolosPilha de Protocolos

Protocol Stack – lista de protocolos usados por um certo sistema, um protocolo por nível. A maioria dos níveis deve conter: Mecanismo para identificar origem/destino – alguma forma

de endereçamento; Regras de transferência (simplex, half, full-duplex); Controle de erros – os circuitos não são perfeitos; Sequenciamento das mensagens – a ordem não

necessariamente é preservada; Processamento de mensagens arbitrariamente longas. Controle de fluxo: evitar que o tx sature o rx. Qualidade de serviço: mecanismos para atender os

requisitos das diferentes aplicações. Confidencialidade e integridade.


Fluxo de Informações entre níveisFluxo de Informações entre níveis

Cada nível acrescenta um cabeçalho com informações de controle.

A comunicação entre processos pares é horizontal

Note que no nível 3 a mensagem que chegou ultrapassou o tamanho limite e teve que ser quebrada em duas.


Tipos de ServiçosTipos de Serviços

Os níveis podem oferecer 2 tipos de serviço aos níveis superiores:

Orientado a conexão – semelhante ao sistema telefônico: • Estabelece a conexão (pode-se negociar parâmetros);• Utiliza a conexão estabelecida;• Libera a conexão.

Sem conexão - semelhante ao sistema postal:• Cada mensagem tem o endereço de destino completo e

cada uma é roteada pelo sistema independentemente de outra mensagem. Assim é possível que as mensagens cheguem fora de ordem.

• Chamado de serviço de datagrama.• Serviço de datagrama com confirmação = carta

registrada.Comparação envolve custo (banda e tempo) x confiabilidade.


Exemplos de ServiçoExemplos de Serviço

Variações do Serviço Orientado a conexões: Sequências de Mensagens: limites das mensagens são

preservados; Fluxo de Bytes: Duas mensagens de 1024 bytes podem ser

agrupadas como um fluxo de 2048 bytes.

Conexão não confiável: não perde tempo com confirmações


Primitivas de ServiçoPrimitivas de Serviço

Um serviço é especificado por um conjunto de primitivas (operações) disponíveis para os usuários do serviço. Normalmente são chamadas de sistema.

Uma interação cliente-servidor simples, usando datagramas confirmados:


Protocolos e ServiçosProtocolos e Serviços

Protocolos: Regras que governam o formato e significado de mensagens trocadas entre entidades parceiras dentro de um nível. (Horizontal).

Serviços: Conjunto de operações (primitivas) que um nível oferece ao nível superior. Refere-se a interface entre dois níveis, com o nível inferior sendo o provedor de serviço e o nível superior o usuário do serviço (Vertical).

Sendo desacoplados, é possível mudar um protocolo e manter os serviços. Obs: Hoje se pesquisa cross-layer


RoteiroRoteiro







Modelos de ReferênciaModelos de Referência

OSI (Open System Interconnection) – década de 70 - proposta desenvolvida pela ISO (International Standards Organization) que deu o primeiro passo rumo à padronização internacional dos protocolos; modelo bastante geral e ainda válido, embora os protocolos sejam raramente usados;

TCP/IP – Surgiu da necessidade prática de interligar redes na ARPANET (vovó de todas as redes). DoD, patrocinador da ARPANET queria uma arquitetura que mantivesse as conexões entre origem de destino mesmo em caso de perda da sub-rede; o modelo não é muito utilizado, mas os protocolos têm uso geral.


Princípios do Modelo OSIPrincípios do Modelo OSI

• Cada nível deve realizar uma função bem definida;• As fronteiras devem ser escolhidas para minimizar o

fluxo de informação entre as interfaces;• A função de cada nível deve ser escolhida visando a

definição de protocolos padronizados internacionalmente.

• O número de níveis deve ser grande o suficiente para distinguir funções que não precisem ficar juntas, e pequeno o suficiente para que a arquitetura não se torne não manipulável.


Ilustração do Modelo OSIIlustração do Modelo OSI

Composto de 7 níveis:


IEEE 802 IEEE 802

IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers. Os padrões da família IEEE 802 são uma restrição ao

modelo OSI, orientados a redes locais. Buscou-se correspondência com modelo OSI/ISO,

interconexão de equipamentos com custo moderado, implantação a custo moderado.


Grupos de trabalho IEEE 802Grupos de trabalho IEEE 802


Correspondência OSI - IEEE 802 Correspondência OSI - IEEE 802


Modelo TCP/IP Modelo TCP/IP O nome é derivado dos 2 principais protocolos:

IP (Internet Protocol):

entregar pacotes– roteamento evitando congestionamentos

TCP/UDP (Transmission Control Protocol / User Datagram Protocol):

Garantem a comunicação entre parceiros fim-a-fim.

TCP – protocolo orientado a conexão

UDP – Protocolo sem conexão (não confiável).

O modelo TCP/IP foi definido pela primeira vez por Cerf e Kahn (1974) depois melhorado e definido como padrão da Internet.


Correspondência TCP/IP - OSICorrespondência TCP/IP - OSI

Modelo TCP/IP com alguns protocolos que serão estudados


Modelo HíbridoModelo Híbrido

Modelo de Referência adotado no curso CES-35


RoteiroRoteiro







Histórico da Internet (1) Histórico da Internet (1)

1950 – No auge da Guerra Fria, o DoD queria rede de controle e comando capaz de sobreviver a uma guerra nuclear;

1957 – União Soviética lançou o Sputnik, primeiro satélite artificial antes do EUA. Resposta: criação da ARPA (Advanced Research Projects Agency)

Paul Baran desenvolveu modelo robusto distribuído


Histórico da Internet Histórico da Internet

1967 – Comutação de Pacotes, idéia anteriormente descartada, deu origem à ARPANET. Abriu-se concorrência para a construção da sub-rede (chegaram 12 propostas).

1969 – Entrou no ar uma rede experimental com 4 nós que crescia rapidamente. Para fazer parte da rede era necessário contrato de pesquisa com o DoD...

1972 – ARPANET com 15 nós;

1976 - Criação do protocolo Ethernet;


Histórico da Internet - 2Histórico da Internet - 2

Fim da década 1970 - Surgiram outros projetos de rede - ARPANET chegou a 200 máquinas.

1983 – TCP/IP era o único protocolo oficial;

1988 - Criação do primeiro vírus que invadiu a ARPANET. (Especialista entediado).

Fim da década de 1980 - A NSF (National Science Foundation) desenvolveu a sucessora da ARPANET, a NSFNET aberta a grupos de pesquisa universitários. A primeira WAN TCP/IP; O contínuo crescimento mostrou que o governo não poderia financiar a rede para sempre. Organizações comerciais participaram pela primeira vez em 1991;



1990 – Criou-se a ANS (Advanced Network and Services) empresa sem fins lucrativos criada por outras empresas foi a primeira etapa em direção à comercialização. A ANS assumiu a NSFNET e formou a ANSNET;

1995 – ANSNET vendida a América Online. Já diversas empresas ofereciam IP comercial. NSF contratou 4 diferentes operadoras de rede para estabelecer um NAP (Network Access Point – ponto de acesso de rede). As operadoras tiveram que competir e assim o conceito de um único backbone padrão foi substituído por uma infra-estrutura competitiva com fins lucrativos.



Durante a década de 1990 – cresceram as ISPs (Internet Service Provider) que oferecem a usuários individuais a possibilidade de conectar-se a Internet.

Surgiu WWW.

Criaram protocolos HTTP, HTML, servidores Web, browsers

Novo Milênio - Aplicações Multimídia (Aúdio e Vídeo pela Internet), Redes sem Fio e Redes Móveis (Quero me comunicar de qualquer lugar a qualquer hora), Segurança, P2P.


Quem é quem para padrões InternetQuem é quem para padrões Internet

Termos importantes: IAB (Internet Architecture Board): comitê que supervisiona

Internet. Coordena: IRTF: Internet Research Task Force – pesquisas a longo

prazo; IETF: Internet Engineering Task Force – questões de

engenharia a curto prazo. Com vários grupos de trabalho. RFC (Request For Comment): relatórios com resultados das

especificações técnicas, estudos e resultados de investigação. Foi a forma idealizada pela ARPA para difundir os resultados de investigação e encorajar a discussão pública de projetos. As RFC's tornaram-se em termos práticos, os registros oficiais de projetos.


Visão Geral da InternetVisão Geral da Internet

DSL – Digital Subscriber Line: convertem sinais digitais em analógicos, usam a rede telefônica; conexão discada também usa rede telefônica com menor largura de banda (outro tipo de modem);

CMTS – Cable Modem Termination System – aproveitam cabos de TV;FTTH – Fiber to the Home; POP – Point of Presence – onde pacotes entram no ISP;IXP – Internet eXchange Points: onde ISPs trocam tráfego (também

chamado NAP – Network Access Points).


Novos ParadigmasNovos Paradigmas

Internet de Coisas - Internet of Things (IoT) - termo usado por Kevin Ashton in 1999:

“If we had computers that knew everything there was to know about things - using data they gathered without any help from us - we would be able to track and count everything, and greatly reduce waste, loss and cost. We would know when things needed replacing, repairing or recalling, and whether they were fresh or past their best. The Internet of Things has the potential to change the world, just as the Internet did. Maybe even more so."


RFIDRFID

RFID RFID – Radio Frequency Identification pré-requisito para IoT:

Etiquetas RFID são chips passivos (sem bateria) afixados em objetos, animais, cartões, itens da casa. Permite que os leitores localizem e se comuniquem com os itens por uma distância de metros.


SDN - Software Defined Networking SDN - Software Defined Networking

Redes Definidas por Software

Muitas funções complexas ficam na infraestrutura.Apesar das redes serem projetadas para serem simples –

basicamente Ethernet, IP – requisitos de controle foram criando uma complexidade difícil de dominar.

Abstrações são o caminho da simplificação. Exemplos de sucesso em abstração: Linguagens, Sos.


SDN - Software Defined Networking SDN - Software Defined Networking

Não mais projetar protocolos de controle distribuído, mas definir uma função de controle centralizado.

Configuração = Função (Visão da Rede)


OpenflowOpenflow

Switches híbridos Switches híbridos continuam a ter um continuam a ter um plano de controle plano de controle com os protocolos com os protocolos legados e Openflow. legados e Openflow. Openflow: capta os Openflow: capta os eventos no eventos no DataPath, encapsula DataPath, encapsula e envia ao e envia ao controlador que controlador que devolve comandos devolve comandos para configurar o para configurar o hardware.hardware.


Novo Projeto no ITANovo Projeto no ITA

Laboratório SDN:Laboratório SDN: Doação de Switches Openflow da ANSP;Doação de Switches Openflow da ANSP;Treinamento. Treinamento.

Calendário:Calendário:- 12 e 13/ Setembro (4 horas a tarde)12 e 13/ Setembro (4 horas a tarde)- 18 e 19/Setembro (4 horas a tarde )18 e 19/Setembro (4 horas a tarde )

- Vagas para alunos de graduação: 2Vagas para alunos de graduação: 2

- Dispensa dos laboratórios de CES-35.Dispensa dos laboratórios de CES-35.

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