Fundamentos por terminar

Universidade São Tomás de Moçmbique

Tecnologias de Redes de Computadores

Ivan Luciano de Sousa Cangela

1. Fundamentos

PROBLEMA CRIANDO UMA REDE

Suponha que você queira construir uma rede de computadores, que tem potencial de crescer em proporções globais e suportar aplicações tão diversas como a teleconferência, video-on-demand, comércio eletrônico, computação distribuída e as bibliotecas digitais. Que tecnologias disponíveis que servem como blocos de construção subjacentes, e que tipo de arquitetura de software que você projetar para integrar esses blocos de construção em um serviço de comunicação eficaz?

Esta é a pergunta que tentamos responder. O objetivo primordial é o de descrever os materiais de construção disponíveis e, em seguida, para mostrar como eles podem ser usados para construir uma rede do zero.

O que é uma rede de computadores o que a difere de outras?

Primeiro, ele explora os requisitos que diferentes aplicações e comunidades diferentes de pessoas lugar (como usuários de rede e operadores de rede) na rede.

Em segundo lugar, introduz a idéia de uma arquitetura de rede, que estabelece as bases para o resto do livro. Em terceiro lugar, introduz alguns dos elementos-chave na implementação de redes de computadores. Por fim, identifica as principais métricas que são utilizados para avaliar o desempenho de redes de computadores.

1.1 Aplicações A maioria das pessoas conhece a Internet por meio de suas aplicações: a World Wide Web, e-mail streaming de áudio e vídeo, salas de chat, compartilhamento e música (arquivo). A Web, por exemplo, apresenta uma interface intuitiva simples

Outra aplicação generalizada da Internet é a entrega de "streaming" de áudio e vídeo. Enquanto um arquivo de vídeo inteiro poderia primeiro ser obtido a partir de uma máquina remota e então reproduzida




na máquina local, semelhante ao processo de, isso implicaria esperar até que o último segundo do arquivo de vídeo seja entregue antes de começar a assistí-lo. Streaming de vídeo implica que o emissor eo receptor são, respectivamente, a fonte e o dissipador para o fluxo de vídeo. Isto é, a fonte gera um fluxo de vídeo (talvez usando uma placa de captura de vídeo), envia através da Internet em mensagens, e o dissipador exibe o fluxo que chega. Há uma variedade de diferentes classes de aplicações de vídeo. Uma classe delas é o vídeo-on-demand, que lê um filme pré-existente a partir do disco e transmite através da rede. Outro tipo de aplicação é de videoconferência, que é, de alguma maneira o caso mais desafiador(e, para as pessoas em rede, interessante) porque tem restrições de tempo muito apertadas. Assim como ao usar o telefone, as interações entre os participantes devem ser pontuais. Quando uma pessoa gesticula, então a ação deve ser exibida na outra extremidade o mais rápido possível. Demasiado atraso tornao o sistema inútil. Em contraste, o vídeo-on-demand, que pode levar vários segundos do momento que o usuário inicia o vídeo até a primeira imagem é exibida, o serviço ainda é considerado satisfatório. Além disso, o vídeo interativo geralmente implica que o vídeo está fluindo em ambas direções, enquanto uma aplicação de vídeo-on-demand é mais provável o envio de vídeo em apenas uma direção. Para além destas existem mais aplicações.

1.2 Requisitos Primeiro iremos dentificar o conjunto de restrições e requisitos que influenciam projeto de rede. Antes de começar, no entanto, é importante compreender que as expectativas que você tem sobre uma rede depende da sua perspectiva: - Um desenvolvedor de aplicações poderia listar os serviços que a sua aplicação precisa, para por exemplo, uma garantia de que cada mensagem a aplicação enviada será entregue sem erro dentro de um intervalo de tempo. - Um desenhador de rede iria listar as propriedades de um projeto de custo-benefício, por exemplo, que os recursos de rede são utilizados de forma eficiente e razoavelmente imputados aos usuários.




- Um provedor de serviços de rede listaria as características de um sistema que é fácil de gerir e administrar, por exemplo, em que as falhas podem ser facilmente isoladas e onde é fácil para explicar o da rede uso.

Os requisitos fundamentais para o estabelecimento de uma rede de computadores são: � Conectividade � Partilha Económica de Recursos � Suporte a Serviços Comuns � Desempenho

1.2.1 Conectividade Começando pelo o óbvio, uma rede deve fornecer conectividade entre um conjunto de computadores. Às vezes é suficiente para construir uma rede limitada que interliga um grupo restitos de computadores. Na verdade, por motivos de privacidade e segurança, muitas redes privadas tem o objetivo explícito de limitar o conjunto de máquinas que estão ligadas entre si. Em contraste, outras redes (da qual a Internet é o principal exemplo) são projetados para crescer de forma que lhes permite o potencial de interligar todos os computadores do mundo. Um sistema concebido para suportar o crescimento em tamanho arbitrariamente grande é dito escalável. Ligações, nós, e nuvens A conectividade de rede ocorre em diferentes níveis. No nível mais baixo, uma rede pode consistir em dois ou mais computadores directamente ligados por algum meio físico, tal como um cabo coaxial ou fibra óptica. Chamamos tal meio físico de um link, e muitas vezes referem-se aos computadores que ele interliga como nós.




Se as redes de computadores fossem limitadas a situações em que todos os nós estão diretamente ligados uns aos outros através de um meio físico comum, elas seriam muito limitadas no número de computadores que podiam estar ligados, ou o número de fios saindo de cada nó se tornariam incontroláveis e muito caras. conectividade entre dois nós não implica necessariamente uma conexão física direta entre eles. Considere os seguintes dois exemplos de como uma coleção de computadores podem ser indirectamente ligados.

Nós que estão ligados a pelo menos duas ligações devem executar software que encaminha os dados recebidos em um link para fora em outro formando uma rede comutada(switched network). Existem vários tipos de redes comutadas, dos quais os dois mais comuns são de comutação de circuitos e de comutação de pacotes(circuit-switched and packet-switched). O primeiro é sobretudo utilizado pelo sistema de telefonia, enquanto o segundo é usado pela maioria das redes de computadores e será o foco de estudo. Uma importante característica da comutação de pacotes redes é que os nós de uma rede desse tipo enviam blocos de dados discretos para o outro. A estes blocos de dados chaamos de pacote mensagem. Comutação de pacotes(packet-switching) uma estratégia chamada store-and-forward na qual cada nó em recebe um pacote completo através do link, armazena o pacote na memória interna e, em seguida, encaminha o completo pacote para o nó seguinte. Em contraste, uma rede de comutação de circuitos primeiro estabelece uma circuito dedicado através de uma seqüência de ligações e permite que o nó fonte envie um fluxo de bits em todo este circuito para um nó de destino. A principal razão para a utilização da comutação por pacote em vez de comutação por circuito de numa rede de computadores é a eficiência.




A seguir mostramos a segunda maneira na qual um conjunto de computadores podem ser indirectamente ligados.

Nesta situação, um conjunto de redes independentes, clouds, (nuvens) estão interligadas formando uma rede interna, Nós ligados a duas ou mais redes são chamadas de roteador ou gateway, que desempenha papel semelhante ao de um interruptor que encaminha mensagens de uma rede para o outro.




1.2.2 Partilha Económica de Recursos Se todos os hosts que desejam se comunicar compartilham a rede, como o fazem, ao mesmo tempo? Como é que vários hosts compartilham o mesmo link quando todos querem usá-lo na mesma hora? Para entender como hosts compartilham uma rede, é preciso introduzir um elemento fundamental, a multiplexação, conceito que significa que um recurso do sistema é partilhado por vários usuários.

Na figura em cima três hosts, no lado esquerdo da rede (remetentes S1-S3) enviam dados para os três hosts da direita (receptores R1-R3) através da rede comutada que apenas tém uma ligação física. (Para simplificar, suponha que host S1 está enviando dados para host R1, e assim por diante.) Nesta situação, o switch 1 multiplexa num único link físico três fluxos de dados correspondentes aos três pares de hosts, em seguida demultiplexado de volta para fluxos separados peloswitch 2.

Existem diferentes métodos de multiplexação de fluxos múltiplos em um único link físico. Um método comum é a multiplexação por divisão de tempo síncrono (synchronous time-division multiplexing - STDM). A idéia da STDM é dividir o tempo em partes iguais de quanta, em um round-robin, dar a cada um fluxo chance de enviar seus dados através do link físico. Por outras palavras, durante o tempo de quantum 1, os dados de S1 a R1 são transmitidos; durante quantum de tempo 2, os dados de S2 para R2 são transmitidos; em quantum 3, S3 envia dados para R3. Neste ponto, o primeiro fluxo (S1 a R1) começa a passar de novo, e os processo repete-se. Outro método é multiplexação por divisão de frequência (frequency-divisionmultiplexing - FDM). A idéia de FDM é transmitir cada fluxo através do link físico em uma freqüência diferente, da mesma maneira que os sinais de emissoras de TV diferentes são transmitidos em uma freqüência diferente em um link físico de TV a cabo.




Embora simples de entender, tanto a STDM e FDM são limitados de duas maneiras: Primeiro, se um dos fluxos (pares de acolhimento) não tem dados para enviar, a sua quota de física ligação, isto é, o seu quantum de tempo ou sua freqüência permanece ocioso, mesmo se um dos outros fluxos tem dados para transmitir. Por exemplo, S3 teria que aguardar pela vez, (parágrafo anterior), mesmo S1 e S2 não tendo nada para enviar. Para a comunicação com o computador, a quantidade de tempo que uma ligação está inactivo pode ser muito grande, por exemplo, considere a quantidade de tempo que você gasta lendo uma página web (deixando o link inativo) em comparação com o tempo que você gasta buscando a página. Em segundo lugar, tanto STDM e FDM estão limitados a situações em que o número máximo de fluxos é fixo e conhecida antes da hora. Não é prático para redimensionar o quantum ou para adicionar os quanta adicional no caso de STDM ou para adicionar novas frequências, no caso de FDM. A forma de multiplexação que utilizaremos é a statistical multiplexing. É

como STDM em que a ligação física é partilhada ao longo do tempo - primeiro dados de um fluxo são transmitidos através da ligação física, depois os dados de outro fluxo são transmitidos, e assim em diante. Ao contrário STDM, os dados são transmitidos por cada fluxo sobre procura em vez de durante um predeterminado intervalo de tempo. Assim, se apenas um fluxo tem dados para enviar, ele consegue transmitir sem esperar pelo seu quantum e, sem esperar o quanta atribuídos aos outros fluxos que não estão a ser utilizados. É eliminando o tempo ocioso torna a comutação por pacotes eficiente.

Conforme definido até aqui, multiplexação estatística não tem nenhum mecanismo para garantir que todos os fluxos eventualmente tenham a sua vez de transmitir através do link físico. Isto é, uma vez o fluxo ter começado a enviar dados, é necessário alguma maneira de limitar a transmissão, de modo que o outro fluxo possa transmitir. Para resolver este problema, multiplexação estatística define um limite superior ligado ao tamanho do bloco de dados que cada fluxo é permitido transmitir por tempo dado. Este bloco de tamanho limitado dos dados é chamdo de pacote(packet), para distingui-lo da mensagem arbitrariamente grande que um programa pode trasmitir. Como uma rede de comutação de pacotes limita o tamanho máximo de pacotes, um host não pode enviar uma mensagem completa em um pacote. O emissor precisa de fragmentar a mensagem em vários pacotes, e cabe ao receptor a montagem dos pacotes de volta, recuperando a mensagem original. A decisão sobre que pacote enviar em um link compartilhado pode ser feita de maneiras diferentes. Cada switch em uma rede de comutação por pacotes toma esta decisão de forma independente, com base em pacote a pacote. Por exemplo, um switch poderia ser projetado para pacotes de serviços em first-in-first-out (FIFO). Outra abordagem seria transmitir em round-robin pacotes




de cada um dos fluxos que no moment estão a enviar dados para o switch. Uma rede suporta à qualidade de serviço (QoS) quando tenta alocar largura de banda para fluxos específicos.

Na figura em baixo, o switch tem três fluxos de pacotes de entrada para uma ligação de saída, é possível que o mesmo receba pacotes mais rápido do que a ligação partilhada pode acomodar. Neste caso, o switch é forçado a armazenar estes pacotes na sua memória(buffer). Se um switch de receber pacotes mais rápido do que pode enviá-los por um período prolongado de tempo, pode ficar sem espaço de memória intermédia, e alguns pacotes terão que ser descartados, neste estado, é diz-se que ele está congestionado.




1.2.3 Suporte a Serviços Comuns

(trabalho para apresentar na próxima aula) 1.2.4 Desempenho 2.

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