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Redes de Comunicações 1

Estruturas e Modelos de Redes

Flávio Alencar do Rego Barros Universidade do Estado do Rio de Janeiro

E-mail: [email protected]

Fascículo

2

UERJ 2019 Redes de Comunicações 1 Pg.40

Neste capítulo vamos fixar as idéias mais básicas que determinam as redes de

comunicações e as primeiras ferramentas de análise, os principais equipamentos de

redes (hubs, switches, pontes, roteadores), e vamos ainda estabelecer algumas questões

relevantes para tráfego através da Internet.. As redes são dependentes da topologia física

e lógica, do tipo de rede em questão e, fundamentalmente, da forma com que as

informações dos seus vários usuários são passadas no compartilhamento dos mesmos

enlaces físicos.

De pronto, deve ficar claro que este curso não tratará as diversas redes de forma

equânime! Mesmo que as diversas técnicas que veremos sejam cabíveis em todo tipo de

rede, afirmamos aqui que privilegiaremos a rede de dados, e, dentro desta, será de maior

interesse para nós a Internet. Deve ainda ficar claro desde este início que, privilegiada a

Internet, nosso enfoque principal será a sua infraestrutura e seus modelos, antes que a

visão de usuário e de aplicações.

As redes telefônicas, redes ATM, redes sem fio, etc., serão mencionadas e

analisadas eventualmente, caracterizada suas especificidades e utilizações, mas não

conformarão nosso foco principal.


Você deve entender este capítulo como uma preliminar para o núcleo do curso

de redes, daí seu aspecto mais genérico. Você verá em muitos pontos deste capítulo

ponteiros para muitos capítulos futuros de Redes de Comunicações 1 ou Redes de

Comunicações 2, a idéia aqui é oferecer uma visão panorâmica, antes que entrar em

maiores detalhes.

Como material de apoio para este capítulo indicamos a leitura do arquivo em

anexo cablemodem_dsl.pdf, que trata de tecnologias populares de redes de acesso, que

não é o foco da nossa atenção neste curso. Também, como material de apoio, teremos

um programa (ARP – Analisador de Rede de Petri, vide conjunto de arquivos arp.zip)

com um pequeno manual que trata do seu funcionamento.

Redes de Comunicações se insere em um contexto mais amplo de comunicações

cujo objetivo é viabilizar comunicação entre grupos de usuários de um-para-um ou de

muitos-para-muitos a cada vez. Esta forma de comunicação abarca coisas tão diversas

quanto comunicações telefônicas, TV broadcasting ou por assinatura, rádio

broadcasting, videoconferência, correio eletrônico, navegação Web, etc. Portanto,


vamos posicionar Redes de Comunicações, particularmente Redes de Computadores

num contexto mais amplo, onde a palavra chave é acoplamento.

Tendo em vista as redes de dados, elas podem ser entendidas dentro de um

contexto mais geral, onde redes de computadores são computadores autônomos

interconectados objetivando compartilhamento de informações e recursos, da mesma

forma pode-se pensar em sistemas como multiprocessadores e clusters, todos

desenvolvidos para os mesmos objetivos gerais de redes. A diferença entre os 3 se dá

pelo grau de acoplamento entre os nós do sistema. Neste sentido, como mostrado no

slide 2-3, multiprocessadores é o sistema mais acoplado, redes o menos.

Perceba que por conta desta diferença “genética” o tipo de utilização também

será essencialmente diferente. Com multiprocessadores o que se quer é concentrar

potência de processamento, com cluster, maximizar a utilização de um alto poder

computacional para um time de trabalho razoavelmente integrado, enquanto em redes, a


individualidade dos usuários é preservada mesmo ao preço de alguma perda de poder

computacional.

Uma primeira conseqüência daquelas diferenças entre as diversas modalidades

de sistemas de computação se dá na correlação entre taxa de transferência de dados e

distância entre os nós, que esclarece mais ainda a natureza diferente de utilização de

cada uma delas.

Perceba que para redes de longo alcance (WANs) poderemos contar com muito

menos capacidade que com redes locais (LANs). As características de

multiprocessadores e de clusters compõem o quadro geral de acoplamento, mas neste

curso nos interessará primordialmente aquelas duas primeiras (WAN e LAN). Vamos,

pois, desenvolver uma visão mais focada dessas duas.


Olhando-se agora do ponto de vista de alcance ou distância entre nós, temos a

classificação mostrada na tabela do slide 2-5. Olhando mais estritamente do ponto de

vista da extensão geográfica da rede de dados, podemos classificar:

Redes Locais (LANs – Local Area Network),

Redes de Campus (CANs – Campus Area Network, ou grosso modo também LANs),

Redes Metropolitanas (MANs – Metropolitan Area Network), e

Redes de Longa Distância (WANs – World Area Network).

De alguma forma, nos tempos atuais, as nomenclaturas CAN e MAN têm sido

colocadas de lado em detrimento de LAN e WAN. Além dos objetivos básicos das redes

também dela se quer:

Crescimento da capacidade de processamento da informação;

Diversidade de equipamento e de recursos em geral;

Processamento “on line”;

Meio de informação entre as pessoas;

Confiabilidade da informação, etc.


Nas redes de dados, o computador ligado à rede é chamado host (ou end system,

nome menos usado). Um host conecta-se a outros hosts pela sub-rede de comunicação

que é composta de repetidores, switches (LANs), mas, principalmente, roteadores e

gateways (WANs). Quando nos referirmos a estes hosts, desde já fique claro que

estamos falando de um computador do lado do cliente ou um computador servidor,

ambos ocupando a bboorrddaa ddaa rreeddee.

As sub-redes de comunicação, que compõe o nnúúcclleeoo ddaa rreeddee, podem do tipo

ponto-a-ponto (meio de transmissão dedicado) ou multiponto (broadcast, meio de

transmissão compartilhado). Redes WANs são tipicamente organizadas ponto-a-ponto,

LANs são tipicamente organizadas por compartilhamento.

A todos os equipamentos de redes chamaremos nós, seja ele um host, ou então

um elemento da sub-rede de comunicação (por exemplo, roteador).

A seguir, vamos ver as topologias básicas de redes e as topologias de redes

locais mais populares.



As LANs foram padronizadas pelo IEEE através do grupo 802, daí

mencionarmos especificamente suas topologias físicas. Seu estudo detalhado merecerá

de nós um capítulo à parte.

Por ora, vamos ver um exemplo de estabelecimento de LAN predial olhando-se

do ponto de vista do cabeamento a ser instalado. Para ilustrar o problema, considere o

custo unitário de estação em R$ 1000, e o custo por metro de cabo de R$ 10. Imagine

um prédio comercial de sete andares tem 15 escritórios adjacentes por andar. Cada

escritório contém uma tomada de parede para um terminal na parede frontal. Dessa

forma, as tomadas formam uma grade retangular em um plano vertical, com uma

distância de 4 m entre as tomadas, tanto no sentido horizontal como no vertical.

Partindo do princípio de que é possível passar um cabo linear entre os cabos de

tomadas, seja no sentido horizontal, vertical ou diagonal, quantos metros de cabo seriam

necessários para conectar todos as tomadas usando:

(a) uma configuração estrela com um roteador no centro?

(b) uma LAN 802.3?

(c) uma rede em anel (sem um centro de cabeamento)?

(d) qual o custo total d rede em cada caso?



Cálculos de custo:

a) Estrela:

Estações = 15 x 7 x R$ 1000 = R$ 105.000

Cabeamento = 10 x 1832 = R$ 18.320

Total = R$ 123.320,00

b) Bus:

Estações = R$ 105.000

Cabeamento = 10 x 416 = R$ 4.160

Total = R$ 109.160,00 (economiza custo de 14 estações)

c) Anel:

Estações = R$ 105.000

Cabeamento = 10 x 461,6 = R$ 4.616

Total = R$ 109.616,00 (idem)


A Internet

Existe uma vasta gama de modalidades de redes: redes telefônicas, redes de TV,

redes, redes telegráficas, etc. No entanto, este curso se voltará principalmente para redes

de dados. Redes de dados também se subdivide em várias possibilidades, grosso modo

dividindo-se em redes com ou sem fio, esta última com ou sem mobilidade acrescida,

elas próprias, podem se subdividir conforme se acrescente ou não a característica de

mobilidade, como indicado no slide 2-13.

Várias limitações técnicas devem ser consideradas em redes móveis sem fio:

redução no consumo de energia, maior probabilidade de perda de dados, interface de

usuário limitada, memória limitada, restrições de regulação de freqüências, taxas de

transmissão mais baixas, maiores limitações de segurança e privacidade, meio físico

sempre compartilhado, etc. Por estas e por outras características peculiares a este tipo de

rede (como a interface de rádio), este assunto merecerá um capítulo à parte


futuramente. Por ora, portanto, voltaremos nosso estudo para a principal forma de rede

de dados, que é a Internet. Uma taxonomia de redes de dados é ilustrada no slide 2-14.

A Internet, nosso interesse principal, pode ser entendida como uma “Rede de

Redes”, mais especificamente uma rede de LANs. Sua estrutura hierárquica é

fracamente acoplada, mas alguns papéis podem ser pontuados. No nível mais alto, os

“Tiers-1”, podem ser entendidos como redes de backbone da Internet (UUNet,

BBN/Genuity, Sprint, AT&T). ISPs “Tiers-1” se interligam de forma privada e também

aos pontos de acesso de rede (NAPs) públicos.


No segundo nível hierárquico, os “Tiers-2” formam os provedores regionais. Na

parte baixa da hierarquia os “Tiers-3” formam os provedores de serviço de “última

milha”, ou provedores de acesso. É por toda esta interconexão que passa um pacote.



No nível técnico e de desenvolvimento a Internet é regulada pelos Internet

Standards, regulados pelo IETF (Internet Engineering Task Force), produtores dos

documentos padrões conhecidos como RFCs (Request For Comments), definindo

protocolos como IP, TCP, HTTP, SMTP, etc, existindo hoje mais que 3000 RFCs.

A Internet é um padrão público de redes, baseado na suíte TCP/IP como

veremos. Usando as mesmas tecnologias da Internet, mas mantendo um âmbito privado

temos as Intranets.

Vale a pena você dar um “passeio” por órgãos reguladores ou de discussão de

padrões da Internet:

IETF – www.ietf.org

IAB (Internet Architecture Board) – www.isi.edu/iab

ACM (Association for Computing Machenery) – www.acm.org

ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers) – www.icann.org

http://www.icann.org/


Papéis na Infraestrutura da Internet

Basicamente se identifica três papéis em uma rede de dados: borda,

núcleo e redes de acesso. Podemos pensar genericamente como se a rede fosse

constituída de núcleo, borda e rede de acesso. Abordemos brevemente cada um destes

papéis.

1) A Borda da Rede

Pensando-se nas bordas da rede, os hosts podem ter dois ou mais papéis: ou ele é

cliente, ou ele é servidor, ou melhor, uma máquina roda uma aplicação cliente ou uma

aplicação servidora. Outra forma de relação entre as máquinas nas bordas extremas de

uma rede é à moda peer-to-peer (P2P), que analisaremos brevemente.

Aplicações diferentes, que rodam nas bordas, demandam características

diferentes, como no exemplo da tabela a seguir (Kurose):

Aplicação Perda de dados Banda Sensível ao tempo? transferência de dados sem perdas Elástico não correio eletrônico sem perdas Elástico não documentos Web sem perdas Elástico não áudio/vídeo tempo real tolerante a perdas áudio: poucos Kbps a 1Mbps

vídeo: 10´s Kbps a 5 Mbps sim: 100´s de msegs

áudio/vídeo armazenado tolerante a perdas idem anterior sim: poucos msegs

jogos interativos tolerante a perdas poucos Kbps a 10 Mbps sim: 100´s de msegs aplicações financeiras intolerante extremo Elástico sim e não


2) O Núcleo da Rede

No núcleo o que conta é a forma como é feita a comutação, ou seja, como se transfere

dados através da rede de um extremo a outro. Aí temos a comutação por circuitos ou a

comutação por pacotes, estratégias que analisaremos logo a seguir.

Se a tecnologia vencedora para comutação na Internet é a comutação por pacotes

via a suite TCP/IP, merece registrar aqui uma tecnologia alternativa representada por

ATM com sua comutação por células.


Para desenvolver as idéias de integração de serviços (voz, dados e vídeo) foi

instituído um comitê (ISDN – Integrated Service Data Network) composto por diversas

empresas (tanto da área de computação, quanto da área de telecomunicações. A

predominância neste comitê sempre foi desta última área) e governos. Em certa altura

foi decidida a favor da tecnologia de redes ATM (Asynchronous Transfer Mode) para

ser a infraestrutura desta proposta. O objetivo de ATM, desde o início, foi oferecer

qualidade de serviço fim a fim (a Internet originalmente não previa isto e a rede de

telefonia suporta apenas uma) a custo razoável. Em certo momento muitos

pesquisadores de redes pensavam que as diversas redes teriam a tecnologia ATM como

infraestrutura, mas a realidade dos fatos acabou caminhando em outra direção. Os

detalhes e os “porquês” disto nós veremos ao longo do curso, mas, de pronto, podemos

dizer que esta tecnologia ainda se faz presente em vários backbones da Internet, porém é

muito raro encontra-la em equipamentos próximos ao usuário.

Conceitualmente, ATM incorpora a técnica de circuitos virtuais (que veremos!),

pacotes de tamanho fixo (células) e pequeno (53 bytes), multiplexação estatística e

serviços integrados, podendo transportar diferentes tráfegos com QoS fim a fim.


Um pouco mais à frente vamos discutir as redes sob a ótica das camadas que a

compõe, mas, de pronto, antecipamos que ATM cobre as camadas mais baixas,

podendo, assim, teoricamente se adequar a tecnologias como TCP/IP. Como

mencionamos, a história real é um pouco diferente, a veremos no momento adequado.

O papel desempenhado pelo núcleo da rede merecerá de nós um estudo mais

detalhado neste e nos próximos capítulos. Por ora, fiquemos com os aspectos gerais

apresentados no slide 2-20.

3) Redes de Acesso

As redes de acesso vão responder ao “problema da Última Milha”, seja por acesso

residencial oferecido pelos concessionários de telecomunicações - Modem discado,

RDSI/ISDN (antigo serviço DVi da OI), ADSL (Velox da OI), slide 2-23, com sua

estratégia ponto-a-ponto; seja pelos concessionários de TV a cabo: AJATO (TVA),

Virtua (NET); seja por redes locais institucionais, ou ainda por acesso sem fio. A

questão é: como conectar os sistemas finais ao primeiro roteador?


As possibilidades comerciais que ultimamente têm sido abertas para redes de

acesso residencial implicam em acesso remoto melhor que o tradicional uso da rede

telefônica (estrutura de cabos telefônicos e rede pública comutada - POTS) via uso de

modems e de IP discado para a Internet (a tecnologia ISDN pode ser entendida como

um desenvolvimento nesta direção pela vertente do ITU-T). Atualmente se acrescenta o

uso da infra-estrutura já existente para TV a cabo, mas, tem ganhado força a utilização

de redes sem fio com o uso de satélites e novas técnicas. Se o acesso discado sofre de

problemas de baixa velocidade (limite: 56 Kbps) considerando-se aplicações

multimídia, ISDN eleva este patamar para 128 Kbps, ainda insatisfatório. As rede sem

fio, por seu lado, caminham no atendimento prioritário de outros requisitos (por

exemplo, mobilidade) antes que se destinem resolver o problema de multimídia. Por seu

lado, TV a cabo oferece uma solução unidirecional, que resolve em parte o problema.


As novas tecnologias propostas de redes de acesso apresentam duas abordagens:

ou procuram melhorar a utilização da infraestrutura já existente através de novas

técnicas de codificação e modulação (detalharemos isto no capítulo 4), ou se destinam a

substituir a infraestrutura (ou parte dela) de fios de cobre para meios de transmissão de

mais alta capacidade (como fibra). As empresas de telefonia se interessaram em

aproveitar a infraestrutura de fios de cobre já existente e introduziram os modems de alta

velocidade (xDSL) ou então fibras na arquitetura FTTH (Fiber To The Home).

A família xDSL tem o ADSL (Asynchronous Digital Subscriber Line, padrão

ITU G.992.1) como o representante mais popular, com as características mencionadas

no slide 2-24. Tais taxas são previstas para distâncias até 5.5 km entre usuário e central

telefônica e taxa de erros de 10-7

.

A melhoria obtida pela família xDSL em relação aos modems analógicos deve-se a:

- uso de espectro de freqüências muito mais amplo;

- os modems ADSL são terminados na central local, podendo assim tirar-se proveito

de tecnologias mais eficiente de núcleo de rede;

- novas técnicas de processamento de sinais são utilizadas.

As tecnologias xDSL permitem ainda utilizar o par trançado para serviço telefônico

tradicional. Perceba no slide 2-24 que o serviço de alta velocidade se dá em faixa muito

mais alta que a do serviço de telefonia (POTS). Um benefício adicional do ADSL é que

o tráfego de dados é separado do tráfego telefônico (pode ser feita uma ligação de voz

simultânea à transmissão de dados).


As empresas de TV a cabo, por seu lado, procuram aproveitar os cabos coaxiais

via tecnologia cable modem e também introduzir fibras com o uso de HFC (Hybrid

Fiber Coax), slides 2-25 até 2-29. Ambas as tecnologias, xDSL e cable modem

procuram oferecer uma solução de baixo custo que substitua a tradicional tecnologia

dial up. Em termos básicos, as tecnologias ISDN e xSDL apresentam acesso dedicado,

enquanto cable modem apresenta acesso compartilhado.

Uma crítica ao ADSL usando fios de cobre é que provavelmente ele não

alcançará largura de banda que vai ser demandada pelas novas aplicações. A idéia por

trás do HFC é tirar o máximo proveito da capacidade de transmissão das fibras e do

cabo coaxial.


Uma importante questão de projeto do HFC é a organização em áreas de até 500

casas para impedir maior impacto de falhas. Além de aumentar a confiabilidade,

aumenta também a disponibilidade de banda para cada usuário e diminui o efeito do

ruído agregado na direção upstream.




Na próxima seção vamos detalhar as técnicas de modulação digital no cabo,

técnicas estas que são necessárias para estes serviços de transmissão digital analisados

aqui. Outras questões que vão ser aprofundadas futuramente neste curso são as técnicas

de acesso ao meio, de modo a prover qualidade de serviço e multicast na comunicação

upstream. Por ora, sigamos mostrando outras modalidades de redes de

acesso.

Outra solução ao “Problema da Primeira Milha” é o acesso institucional à

Internet via LANs, e deste modo merecerá de nós uma análise mais detalhada em

capítulos posteriores. Nas LANs, várias máquinas compartilham o mesmo enlace (diz-se

que a comunicação é multiponto, com múltiplos acessos no enlace). Em breve

detalharemos técnicas de uma (PPP) e outra (Ethernet/CSMA-CD) forma de

comunicação.

Completamos nossa visão geral de redes de acesso com aqueles que utilizam a

interface sem fio, que está se tornando cada vez mais popular, tanto pela economia de

cabeamento quanto pela possibilidade de mobilidade, tudo isto com crescente


capacidade de transmissão de dados, mesmo que, a princípio, a interface sem fio coloca

importantes problemas técnicos para o acesso ao meio (quando comparado aos sistemas

com fio!), razão pela qual abriremos mais à frente um capítulo especialmente para tratar

disto.


Do ponto de vista do tráfego produzido nos enlaces de uma rede, os

procedimentos de comutação são as funções mais essenciais. Comutação é feita por

switches e consiste em, em chegando um pacote ou mensagem por uma porta de

entrada, achar e encaminhá-lo para a porta de saída conveniente. Achar uma rota fim a

fim para um pacote/mensagem é uma tarefa mais complicada feita por roteadores e que

nós precisaremos ver futuramente de forma especial. Por ora, imagine esta rota fim a

fim estar resolvida (como conseqüência, ficará estabelecido nos roteadores uma Tabela

de Roteamento). No nível local sempre pacotes/mensagens precisarão entrar por uma

porta e sair pela porta conveniente, de acordo com aquela Tabela de Roteamento

produzida. Esta é a função da Comutação (ou Encaminhamento).


A comutação por circuitos segue o paradigma das redes telefônicas, mas não é

mais utilizado em redes de dados. No entanto, uma nova modalidade de redes (redes

óticas) se aproxima muito deste paradigma. Com a disponibilidade comercial do

DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing), amplificadores óticos e switches

óticos, a tecnologia caminha na direção de “retirar” a eletrônica do equacionamento do

roteamento com espelhos microscópicos defletindo toda luz de uma porta de entrada

para outra porta de saída, criando assim um canal ótico entre dois pontos da rede. O

detalhamento destes aspectos foge ao escopo deste capítulo, mas antecipamos que

tecnologias que estudaremos (como Multiprotocol Label Switching – MPLS) se aplicam

a redes óticas.


As redes locais atuais na Internet são interconectadas por switches (ou

comutadores) criando a ilusão de conexão entre hosts. As duas principais tecnologias de

comutação de pacotes são a comutação de LANs e a comutação de células (ATM –

Asynchronous Transfer Mode). Na primeira técnica, diz-se que operamos a comutação

de datagramas, na segunda, temos o modelo de circuitos virtuais. A primeira técnica usa

o modelo não orientado à conexão, a segunda o modelo orientado à conexão.

As três funções básicas das redes de pacotes são: comutação, roteamento e “call

setup”. Aquelas duas técnicas que mencionamos (redes de datagramas e redes de

circuitos virtuais) diferem no sentido que as redes de datagramas operam apenas

comutação e roteamento, as redes de circuitos virtuais acrescentam a função de “call

setup” como preliminar.

Uma terceira técnica que não usa nem datagramas, nem circuitos virtuais é o

roteamento na origem. Nela, toda informação para comutar o pacote pela rede é

fornecida pelo host de origem: cada saída de cada switch teria um número e o pacote

teria no cabeçalho a seqüência de números desejada.


Vamos a seguir aumentar o nível de detalhe de cada uma destas duas

modalidades de comutação.


A filosofia de projeto de redes de datagramas recupera a possibilidade de rotear

pacotes mesmo que haja falha em enlaces e nós (a origem remota da Internet é militar,

onde não se descartava a possibilidade de enlaces e máquinas fossem alvos de bombas

inimigas!). Quando um host envia um pacote ele não pode saber de antemão se a rede

consegue ou não entregá-lo, ou mesmo se o host destino está ou não ativo. Também,

cada pacote é enviado de forma independente dos anteriores, podem mesmo seguir

caminhos diferentes ou até chegarem fora de ordem, ou até não chegarem! Estes fatos

impõem a necessidade de bufferização do que se vai transmitir até mesmo para prevenir

a eventualidade de uma futura retransmissão. Outro impacto a ser considerado é o

retardo imposto ao pacote devido esta bufferização. Por outro lado, como vimos, basta

ter o pacote pronto para enviá-lo, não é necessário nenhum estado de conexão prévio.

A fila anterior ao canal de comunicação possui tamanho finito. Quando um pacote

chega a um roteador e a fila está cheia, ele é descartado. Isto implica (o pacote perdido)

que ele pode ser retransmitido pelo nó anterior, ou pelo sistema origem, ou mesmo


simplesmente não ser retransmitido. A escolha da Internet (suite TCP/IP, veremos em

Redes 2) é pela retransmissão pela origem, mas outras escolhas podem ser feitas:

Não ser retransmitido – redes de tempo real; redes de retransmissão não

factíveis (redes interplanetárias), etc.

Retransmitido pelo nó anterior – servidores distribuídos, redes DTN

(disruption-tolerant network), etc.

As diversas questões que surgem por conta do retardo e a variabilidade (jitter) na

entrega de pacotes serão objeto específico de um capítulo do curso de Redes 2.


A divisão fundamental de estratégias de como lidar com redes de dados se dá na

camada 3, com a forma de gerar, transmitir e encaminhar pacotes (ou células, como

veremos) pela sub-rede de comunicação. O tamanho de um pacote varia de algumas

centenas de bytes até alguns quilobytes. As vantagens do emprego de pacotes que

motivaram o surgimento das redes de comutação de pacotes (em oposição às redes de

comutação de circuitos) são principalmente:

- poucas ações de controle por byte transportado (pacotes podem chegar a 64 Kbytes

no protocolo IP !);

- baixo overhead de cabeçalho com relação à quantidade de dado transportada.

Porém, a grande variação no tamanho do pacote causa sérios problemas aos nós

intermediários (roteadores) responsáveis pelo seu roteamento, pois eles são

armazenados temporariamente em buffers enquanto a decisão de roteamento é tomada e

a gerência de buffers para armazenamento de pacotes de tamanho variável é um

problema complexo, similar ao problema de alocação dinâmica de memória em sistemas

operacionais. Esta complexidade no gerenciamento de buffers faz com que o atraso


causado na comutação de pacotes seja considerável, a ponto de inviabilizar muitas

aplicações. Outras dificuldades surgem:

- cabeçalho de tamanho variável (campos opcionais);

- código de redundância cíclica para fins de detecção de erros no cabeçalho e,

eventualmente, nos dados;

- procedimentos de fragmentação e remontagem.

Estas características introduzem uma aleatoriedade no tempo de processamento

do pacote por parte do nó intermediário que dificulta a garantia de determinados

parâmetros de qualidade de serviço tais como atraso fim-a-fim e jitter (variação do

atraso), ambas importantes para redes em um ambiente multiservico onde dados, voz e

vídeo trafegam pela mesma infraestrutura de rede. Uma alternativa ao emprego de

pacotes de tamanho variável é restringir o comprimento da unidade de rede e mantê-lo

fixo. Esta estrutura e denominada célula, sendo empregada em redes de alta velocidade

como ATM. Em ATM células são compostas de 53 bytes, destes, 5 dedicados ao

cabeçalho. Portanto, o overhead associado ao processamento do cabeçalho para uma

célula é sempre constante. O fato da célula possuir comprimento fixo de poucos bytes


facilita a comutação de células por hardware, aumentando significativamente o

desempenho do comutador ATM (roteadores processam pacotes por software!)

tornando assim o processo de comutação mais simples, rápido, otimizado e previsível.

Porém, existem também desvantagens no emprego de células:

- muitas ações de controle por byte transportado;

- pouca informação pode ser transportada no cabeçalho;

- alta fragmentação da informação gerada por protocolos das camadas

superiores (o descarte de uma célula pode comprometer um pacote inteiro de

transporte, por exemplo).

Só com advento de tecnologia de circuitos integrados em larga escala (VLSI) foi

possível o desenvolvimento de comutadores capazes de processar dezenas de milhões

de células por segundo. A compatibilidade dos circuitos de comutação e transmissão,

principalmente com o advento da fibra ótica, minimiza sobremaneira as desvantagens

citadas acima, e a comutação de células é uma tecnologia viável para suportar qualidade

de serviço como atraso fim-a-fim, jitter e taxa mínima garantida. A tecnologia ATM

(Asynchronous Transfer Mode) foi a escolha tecnológica subjacente de um projeto mais

ambicioso: o B-ISDN (rede digital de serviços integrados – banda larga), que visa

integrar as tecnologias que possam ser expressa em termos de dados digitais, vale dizer,

telefonia, vídeo e computação, daí o nome que se popularizou: Convergência de Redes.

O modelo de referência do B-ISDN divide-se no Plano de Usuário, responsável pela

transferência de informação do usuário e respectivo controle (controle de fluxo e de

erro); o Plano de Controle, responsável pelo controle de chamada e de conexão; o Plano

de Gerência, responsável pela coordenação entre os outros planos e pela gerência de

camadas.


No mundo prático das redes, ATM se estabeleceu como tecnologia de backbone,

mas não como rede de acesso (neste caso, se tornou mais comum a tecnologia Ethernet),

basicamente por razões de custo, sendo também uma dentre as tecnologias que compõe

uma sub-rede. As formas de participação são: IP sobre ATM (IPOA), LAN Emulation

(LANE) e Multiprotocol over ATM (MPOA).

Como não foi a tecnologia vencedora para redes de dados, ficaremos neste curso

apenas com esta visão geral aqui formulada. Para maiores detalhes se aconselha a

referência oferecida.



No slide 2-42 mencionamos a característica “cut-through” em roteadores. Esta é

a tecnologia mais moderna usada em roteadores, em oposição à antiga “store-and-

forward”. Entendamos ambas via uma breve comparação:

1) Fila não está vazia: ambas as tecnologias apresentam mesmo comportamento;

2) Fila vazia: se o buffer torna-se vazio antes que todo pacote chegue, a “frente” do

pacote vai sendo transmitida enquanto a “rabada” do pacote está ainda

chegando. Evidentemente isto implica maior eficiência de transmissão.

3) Retardos:

Store-and-Forward:

Mbpsms

Mbpsms

R

L

MAX 10012.0

102.1

Cut-Through: 0.12 a 0.2 ms

Além das questões de custos, as incompatibilidades entre as redes ATM e as

redes IP, listadas abaixo, explicam o uso do ATM (quase) restrito ao backbone:

1. ATM é orientado à conexão, redes IP não são;

2. Ambas apresentam esquemas distintos de roteamento e de endereçamento;

3. LAN ATM é ponto a ponto, LAN IP é multiponto.




A metáfora da visão em camadas se estende à visão de redes reais. Um sistema

de rede pode ser do tipo sistema aberto, que implementa uma arquitetura aberta de

domínio público, voltado para permitir o intercâmbio de informações de diferentes

sistemas de diferentes fabricantes; e sistema proprietário, capaz de trocar informações

de uma única arquitetura, de mesmo fabricante.

Perceba na metáfora de camadas a natureza vertical (na mesma máquina) dos

serviços e a natureza horizontal (entre máquinas diferentes) dos protocolos de redes.

Perceba também que a comunicação (virtual) se dá entre entidades pares ou homólogas

(de mesma camada), a única exceção se dá na camada 1 (camada física), onde as

entidades pares se comunicam concretamente via o meio físico. Uma camada usuário

(N+1) transmite dados (SDU – Service Data Unit) à camada de baixo (fornecedora do

serviço) anexando ao SDU um cabeçalho chamado PCI (Protocol Control Information).

Este conjunto, SDUs (podem ser várias) + PCI, forma a unidade de troca de informação

entre entidades pares em máquinas diferentes, chamada PDU (Protocol Data Unit). Em

uma palavra, entidades adjacentes (na mesma máquina) trocam SDUs, entidades

homólogas (em máquinas diferentes) trocam PDUs. Em outras palavras, o serviço da

camada é embalado em SDU, o conteúdo de protocolo é embalado em PDU.


Enviar informações pela rede envolve cooperação entre sistemas origem e

destino, mas também o transporte da informação através da rede. Para isto se torna

necessário um suíte de protocolos e uma arquitetura de protocolos. O modelo de

camadas nos mostra que a comunicação se dá entre entidades parceiras.

Entidades = elemento ativo das redes responsável pela implementação dos serviços,

consistindo de protocolos e interfaces.

Protocolo = conjunto de regras e formatos (semântica e sintaxe) utilizado para

estabelecer a comunicação entre camadas do mesmo nível.

Serviço = ação que uma entidade oferece a outra adjacente. Um serviço pode ser com ou

sem conexão, como veremos brevemente.

Primitivas = ações elementares dentro de uma camada cujo resultado é a produção do

serviço. Como ilustrado no slide 2-46, as primitivas de redes mantêm certo

padrão independente da camada. Sua nomenclatura é do tipo X.primitiva

onde X denota a camada em questão.


A infraestrutura que suporta uma entidade pode ser detalhada de uma forma

recursiva. Pense assim: uma aplicação precisa de algo numa aplicação homóloga em

outra máquina. Para suportar esta aplicação uma entidade da camada aplicação

“conversa” (o protocolo define esta conversa) com a outra entidade da camada aplicação

baseada numa infraestrutura de transporte. A infraestrutura de transporte, se detalhada, é

composta de uma entidade que conversa (protocolo) com uma entidade homóloga

suportada por uma infraestrutura de rede, e assim sucessivamente, até chegarmos à

camada física, a única cuja comunicação é concreta (as outras são virtuais). Faça um

croqui desta situação!

Considere duas camadas adjacentes. Entidades destas camadas trocam dados

(SDUs) entre si através da interface ou SAP (Service Access Point). Observe que não

importa a forma que o SAP é implementado. Importa o serviço oferecido à camada

adjacente. Uma entidade pode oferecer seu serviço para diferentes entidades, por

exemplo, diferentes protocolos da camada aplicação (FTP – transferência de arquivos,

SMTP – correio eletrônico, HTTP – navegação Web, etc) podem compartilhar o

mesmo serviço de transporte (TCP) na Internet. Da mesma forma, uma entidade pode

valer-se de diferentes serviços das camadas inferiores. As restrições maiores se darão

entre entidades homólogas, estas deverão se entender de forma não ambígua, daí ser

comum elas serem iguais, mesmo que as interfaces sejam implementadas


diferentemente.

Aplicações ponto a ponto fazem a base atual da Internet. Quando se pensa em

comunicação remota, o tráfego gerado é chamado unicast, definindo uma relação

cliente-servidor. São exemplos de comunicação unicast: navegação Web, correio

eletrônico, transferência de arquivos, etc, ou seja, as aplicações “killers” da Internet

atual são todas elas unicast. Todavia, é crescente a demanda da sociedade por

aplicações do tipo multiponto (chamadas multicast), com as possibilidades de

comunicação um-para-muitos (ensino à distância, vídeo sob demanda, etc), muitos-

para-um (leilão) e, principalmente, muitos-para-muitos (videoconferência, jogos

interativos, etc). Em uma palavra, a Internet atual e passada e/foi baseada em transações

unicast majoritariamente, a Internet futura provavelmente combinará transações unicast

com transações multicast. Vamos analisar ambas neste curso.


Serviços sem conexão são similares ao serviço de correio: entrega-se a carta (ou

telegrama) e espera que ela seja entregue, não há nenhuma confirmação que isto foi

feito, pode-se pensar que no correio o serviço de entrega de telegramas é de melhor

esforço. São naturalmente mais rápidos, mas são menos seguros. Serviços com conexão

são seguros, mas são mais complexos e demorados. Ainda tendo em mente o correio,

quando você manda uma carta registrada, ele é um exemplo de serviço com conexão,

pode-se pensar que o modelo de serviço é confiável. A sabedoria do projeto da Internet

foi estabelecer um serviço sem conexão, do tipo melhor esforço, na camada de rede

(IP), mas um serviço com conexão, do tipo confiável, na camada transporte (Você pode

imaginar por quê? Voltaremos a este assunto).

Com a sofisticação de demandas no uso da Internet, particularmente na Internet

comercial, caminhamos na direção da diferenciação da oferta de serviços. Para isto, será

necessário muito mais que o mero serviço de melhor esforço atual, e sim o

estabelecimento de garantias diversas no tráfego, naturalmente mediante um custo

financeiro maior por parte do usuário. Algumas aplicações “killers” do futuro só serão

viáveis com o estabelecimento de garantias de QoS: TV e Telefonia pela Internet

(garantias de retardo e de jitter, garantias de banda), videoconferência (idem), etc.



Observe que a montagem da estrutura de dados na rede (envio de mensagens)

consiste de certa camada embalar os dados com um cabeçalho formando nova

estrutura.Esta nova estrutura é enviada para a camada logo abaixo, para a qual é

entendida como uma estrutura de dados. Esta camada logo abaixo também anexa o seu

cabeçalho, e assim sucessivamente. A única exceção acontece na camada de enlace,

onde, além do cabeçalho inicial, é colocado um cabeçalho final (tail) sinalizando o final

do quadro. Portanto, no envio, os dados originais sofrem um processo de montagem da

mensagem, formando o segmento, montagem do segmento, formando o datagrama, e

montagem do datagrama, formando o quadro a ser enviado. No processo de

fragmentação (recebimento de mensagens) o procedimento é inverso.

Neste ponto é interessante observar que vários serviços típicos de redes podem

acontecer em várias das camadas, mas nunca são inteiramente iguais. Por exemplo, o

controle de erro é executado em praticamente todas as camadas, mas de forma peculiar

em cada uma delas. Na camada de enlace é feito o controle de erro no nível de grupo de

bits, mas só na camada transporte é verificado a necessidade ou não de retransmissão de

um pacote completo, enquanto apenas na camada aplicação é verificada a correção

semântica dos dados. Perceba que nas três camadas estarão sendo testados erros sobre

os (quase) mesmos dados, porém com significados bem diferentes.


O modelo de referência de redes de dados é o OSI/ISO de sete (7) camadas. As

redes reais mais populares são a Internet e as LANs. Curiosamente ambas são exemplos

de violação daquela regra mais geral (OSI/ISO) de modelo de redes.

Em termos práticos, na Internet (modelo de 5 camadas) a camada aplicação

incorporou serviços que no modelo OSI/ISO seriam distribuídos pelas camadas

aplicação, apresentação e sessão. Portanto, num certo sentido, a Internet viola as regras

gerais do modelo dito mais fundamental. Discutiremos um pouco à frente as razões

desta escolha. Com as LANs ocorreu o mesmo, talvez pior! A entidade que padroniza as

LANs chamada IEEE criou o grupo de trabalho 802 que decidiu padronizar somente o

equivalente a camada 2 do modelo OSI/ISO! As LANs serão vistas em um capítulo à

parte em Redes 2.


Por tudo que vimos, os dados produzidos por uma aplicação destinados a

transitar na rede precisam ser progressivamente enviados às camadas mais baixas

(sofrendo também um processo de montagem) para que quando alcançarem a camada

física possam efetivamente ser transmitidos à outra máquina. Diz-se que a única

comunicação física da rede se dá na camada física.

Por outro lado, vimos que o objetivo das máquinas comunicantes na rede é

sempre colocar duas entidades pares conversando entre si. Portanto, do ponto de vista

prático, o que interessa é a comunicação lógica entre estas entidades. O que acontece

para que esta comunicação ocorra não interessa aos parceiros, é transparente às

entidades pares, o que apenas é necessário é que uma infraestrutura qualquer garante tal

comunicação. Assim, a tecnologia utilizada por cada camada não importa para as

camadas subseqüentes, importa sim o serviço oferecido.



Como o modelo de referência mais geral de redes é o modelo OSI/ISO, vamos a

seguir examinar o que cada uma das suas sete (7) camadas deve oferecer.

A camada física é a responsável pela geração e interpretação dos sinais elétricos,

óticos ou eletromagnéticos, que são propagados pelo meio físico, e também dos

protocolos que tratam da duração e intensidade do sinal, técnicas de multiplexacão,

padrão de pinagem, etc, vale dizer, trata-se de protocolos de hardware. O meio físico de

comunicação pode ser desde o éter (ar) até fibras óticas, passando por cabo coaxial, par

trançado, etc. Naturalmente esta variedade de meios implica também uma variedade de

taxa de erros, banda disponível, retardo de propagação, natureza da interface, etc.

A camada de enlace (link) usa a camada física para transmitir quadros (frames)

de dados, delimitados por seqüências de bits tanto no início quanto no fim do quadro.

Atua na camada de enlace o primeiro esquema de reconhecimento e o primeiro controle

de fluxo de quadros.

Do ponto de vista prático, trata-se da primeira camada que requer software e

também endereço multiponto (chamado endereço MAC – Medium Access Control) e o

alcance é entre duas máquinas vizinhas na rede (ponto a ponto). O protocolo de camada


de enlace é desenvolvido concretamente na placa de rede. Perceba que este esquema

libera a CPU do host de ser interrompida mais freqüentemente do que deve para tratar

de tráfego que não é a ele direcionado.

A principal função da camada de rede é o roteamento, que é feito concatenando

um conjunto de enlaces fim a fim (desde o a fonte emissora do pacote até o host de

destino) e requerendo também um endereço, este de escopo global e único. Também

cabe à camada rede o processo de montagem e fragmentação de pacotes. Além do

protocolo básico de endereçamento global (na Internet o IP), podem rodar nesta camada

os protocolos de roteamento intradomínio (OSPF, PIM-SM, DVMRP, etc) ou de

roteamento interdomínio (BGP).

Por ser a camada de mais alta complexidade que roda em todas principais

máquinas da rede (hosts e roteadores), é nela que muitas das mais importantes questões

do desenvolvimento de redes se referem, por exemplo, é nela que se define a

comunicação em grupo (multicast), questões de qualidade de serviço e de melhor rota.

A filosofia da infraestrutura da Internet é tornar esta camada tão expedita quanto se


possa e transferir algumas das demandas mais sofisticadas (confiabilidade,

ordenamento, controle de congestionamento) para as pontas da rede.

A função principal da camada de transporte é dar garantias de entrega dos dados

da camada superior (camada aplicação), bem como garantir chegada sem duplicação e

na ordem correta.

Por ser a camada responsável por “acertar” o processo (atenção: a camada de

rede “acerta” a máquina), diz-se que ela faz a multiplexação e demultiplexação de

processos, torna-se necessário uma nova forma de endereçamento nesta camada

conhecida como “porta” (lembre-se que existem endereços na camada enlace –

endereço MAC, e na camada rede – endereço IP no caso da Internet). A cada uma das

aplicações típicas da Internet está associada uma porta padrão.

É comum ser incumbência desta camada alguns serviços mais complexos como

ordenamento, controle de fluxo e controle de congestionamento. Isto é conseqüência de

ser ela a primeira (ou a mais baixa na infraestrutura) camada fim a fim, ou seja, a

primeira que roda nos host, mas não roda nos roteadores. O núcleo da rede (camada 3)


privilegia a presteza no trânsito dos pacotes, enquanto o transporte (camada 4) privilegia

a confiabilidade e outros serviços sofisticados.

Na Internet o protocolo mais popular desta camada é o TCP (Transport Control

Protocol), mas para aplicações mais modernas ou de grupo o protocolo de transporte

escolhido é o UDP (User Data Protocol), responsável apenas pelo serviço “cru” de

transporte (multiplexação/demultiplexação). Com a camada de transporte podemos

resumir os três endereços envolvidos na Internet:

Camada Endereço Bits Formato (exemplo)

2 Físico (MAC) 48 AA-BB-CC-1A-1B-1C (hexadecimal)

3 IPv4 32 200.1.1.1 (decimal com pontos/octetos)

4 PORTA 16 80 (decimal)

Observe que os três endereços são necessários. O primeiro (MAC) tem escopo

local e valor único por máquina a cada momento, IP tem escopo global, mas também

valor único a cada momento, e endereço de PORTA tem escopo global, mas não exige

valor único a cada momento. O endereço de PORTA é imprescindível para viabilizar

vários processos simultâneos (a Internet NÃO teria valor comercial se não fosse isto!).

Numa análise mais apressada poderia se imaginar o endereço IP substituindo a

funcionalidade do endereço MAC, porém, se assim fosse, cada tráfego que chegasse a

certo host obrigaria a placa de rede interromper a CPU do host para verificar se aquele

tráfego que chega é ou não destinado a ele (host). Evidentemente isto significaria

ineficiência e, consequentemente, perda de valor comercial! Ao filtrar tráfego pela placa

de rede (endereços MAC são tratados ali) libera-se o host (que trata ambos, endereços

IP e de PORTA) para atividades mais nobres e rentáveis.

Ao conjunto IPv4-PORTA se dá o nome de socket e se representa assim:

200.1.1.1:80

(como a porta 80 é default para HTTP, se trata de tráfego de navegação Web para a

máquina que tem o endereço IP 200.1.1.1).

As duas próximas camadas (sessão e apresentação) não existem no modelo

TCP/IP, ou melhor, elas foram incorporadas pela camada aplicação.


A camada sessão permite dois processos de aplicação estabelecerem sessões

entre si, organizando e sincronizando a troca de informação.

A camada apresentação fornece serviços de representação canônica de dados

(permite hosts de diferentes fabricantes se comunicar), compressão de dados e

criptografia.


A camada aplicação apresenta os protocolos que dão suporte às mais diversas

aplicações necessárias ao ser humano. De início, é bom diferençar a aplicação do

protocolo da camada aplicação, por exemplo, as tradicionais:

Aplicação Protocolo da Camada aplicação

Correio eletrônico SMTP, IMAP, POP3

Transferência de arquivos FTP

Navegação Web HTTP

Login remoto Telnet

Etc...

Também é interessante observar que existem algumas aplicações transparentes

ao usuário, como é o caso de DNS (Domain Name Server), responsável por traduzir

URLs (Uniform Resource Location), como, por exemplo, www.microsoft.com.br,

referência de endereço bem entendido e manipulado por humanos, em endereços IP,

como, por exemplo, 193.15.5.1, bem entendido e manipulado por roteadores. É o caso

também de SNMP (Simple Network Management Protocol), usado para consultar ou

modificar o estado de nós remotos na rede.


Além das aplicações tradicionais e aplicações “escondidas”, uma série de

aplicações multimídia colocam em cena protocolos da camada aplicação: RTP (Real

Time Transport Protocol), SIP (Session Initiation Protocol), SDP (Session Description

Protocol), H.323, etc.


O objetivo desta seção é introduzir técnicas de modelagem de protocolos. Existe

um sem número delas (Estelle, CCS, Lotos, etc), mas nosso interesse é apenas mostrar

uma das ferramentas mais simples, a rede de Petri. Ela permite uma visualização

analítica do funcionamento correto ou não de um protocolo. Um aprofundamento maior

de tais ferramentas é trabalho típico do campo da Ciência da Computação.

Nesta seção vamos usar o software de apoio ARP (Analisador de Rede de Petri),

que será disponibilizado no site da cadeira.





Exemplo: Melhore (detalhe!) a rede de Petri do slide 2-69, colocando explicitamente as

3 hipóteses de transferência de dados no emissor (no receptor também cabem

melhorias, faça-as!):

?dat.req DT

?AK nova transferência

?dis.req Espera_DC

Solução: Possivelmente em sala de aula.

Propriedades dos protocolos:

Sem bloqueio: quando não há transição disparada nem mensagem em trânsito entre

entidades envolvidas.

Ausência de recepções não especificadas: acontece quando uma entidade não está apta a

receber determinada mensagem quando se encontra em um dado estado.

Sem interações mortas: uma interação é dita morta quando ela não deveria estar ali! Em

outras palavras, não deve haver no protocolo envios e recepções de mensagens que

não ocorrem jamais.


Correção parcial: se o protocolo progride, então o serviço desejado é oferecido. Em

outras palavras, existe um caminho que faz a mensagem chegar, o que não

significa garantir que uma mensagem enviada chegue!

Progressão do protocolo: demonstra que o serviço desejado é oferecido em um tempo

finito.

Propriedades da rede de Petri:

Limitada: uma rede é limitada para uma marcação inicial M0 se e somente se todas as

marcas acessíveis a partir de M0 são limitadas, i.e., não há acúmulo de fichas entre

lugares. Na propriedade limitada o protocolo atinge um número finito de estados,

ou seja, é implementável fisicamente.

(continua)

(continuação de propriedades da rede de Petri)

Viva: Toda transição é disparável.

Conservativa: o número total de fichas é sempre igual (diz-se estritamente

conservativa). Conservativa por vetor de pesos se encontra ilustrado no slide 2-73.


Reiniciável: o protocolo possui a característica repetitiva.

Invariante de lugar: é a propriedade conservativa aplicada a um subconjunto de lugares

da rede.

Invariante de transição: define seqüências cíclicas de disparo de transições.



Nesta seção retomamos a discussão de equipamentos de redes: repetidores, hubs,

pontes, switches, roteadores, gateways. Importa questões como camada mais alta que

eles respondem, características de interconexão, domínio de colisão.


O repetidor é o dispositivo mais básico dentre aqueles utilizados na

interconexão de redes e o seu objetivo é a interconexão física entre LANs do mesmo

tipo (respondem na camada 1).

Funções: restauração do sinal; isolamento de falha no cabo.

Um hub apresenta as mesmas funções e características dos repetidores (também

responde na camada 1), quando um bit chega por uma porta do hub, ele simplesmente o

retransmite por todas outras portas, mas, diferente dos repetidores, torna-se um ponto de

concentração de equipamentos.

É importante notar que com repetidores e hubs ficam interconectados

dispositivos com o mesmo domínio de colisão, ou seja, não existe filtragem de tráfego.

Perceba o problema no exemplo do slide 2-75: antes de agrupar os 3 departamentos com

o hub backbone, o throughput agregado da instituição era de 30 Mbps ( 3 redes de 10

Mbps), depois, cai para 10 Mbps!! Uma segunda limitação da solução do exemplo é


que aquela instituição só poderá crescer suas redes locais com a mesma tecnologia

Ethernet.

A evolução de equipamentos inter-redes começa com pontes, que:

1) Respondem na camada 2;

2) São destinadas a interconectar LANs homogêneas (de mesmo padrão);

3) O quadro é manipulado em software;

4) Apresentam poucas portas;

5) Encaminham um (1) quadro a cada vez;

6) Usam a estratégia “store-and-forward”;

7) Com pontes passa a existir filtragem de tráfego, ou seja, pontes interconectam

domínios de colisão separados.

Em certo momento da evolução, a tecnologia de redes produziu os switches – L2:,

ainda respondendo na camada 2, mas apresentando:

1) Muito mais portas que as pontes;

2) O quadro é manipulado por hardware (muito mais veloz);


3) Múltiplos quadros ao mesmo tempo;

4) Estratégia “cut-through”.

Do ponto de vista, prático o switch é um concentrador em topologia estrela cuja

função é repassar pacotes entre os computadores a ele conectados permitindo

isolamento de tráfego, se diz que apresenta domínio de colisão separado. Isto é útil em

casos de simultaneidade de transmissão ou em caso de falha de um destes

computadores. O switch implementa a chamada LAN Ethernet comutada e substituem

com vantagem a LAN Ethernet clássica original, cabeada, onde todos os pacotes são

direcionados a um único cabo configurando uma topologia de barra que apresenta a

inconveniente possibilidade de colisão entre quadros (domínio único de colisão).

No entanto, persistiram ainda alguns problemas:

- endereços “flat” (a solução, como veremos, é usar sub-redes conectadas por

roteadores, ou senão, usar switches – L3);

- broadcast inibe o desempenho;

- um único caminho entre dois dispositivos (impróprio para WANs).

Os roteadores respondem na camada 3 e, desta maneira, podem escolher um

caminho para rotear os pacotes.


Switches de roteamento (também chamados Switches L3) formam a última

geração de dispositivos de interconexão de LANs (introduzido pela Nortel Networks em

1997). Eles combinam capacidade de controle de tráfego e inteligência dos roteadores

com o desempenho e baixo custo dos switches. Isto é feito porque ele embute algumas

das capacidades (encaminhamento de pacotes) do roteador em hardware, feito através

de chips especializados (ASICs), tornando-se neste sentido mais rápido que roteadores.

As funções de roteamento ainda são feitas por software.

Voltando aos roteadores, existem algumas diferenças entre equipamentos deste

tipo, conforme sua posição na rede:

1. Roteadores de núcleo:

- alta banda agregada; alta taxa de encaminhamento de pacotes; software estável;

- poucos tipos de interfaces (SONET ou ATM a OC-3, OC-48, OC-192);

- não rodam protocolos interdomínios; grandes tabelas de roteamento.


2. Roteadores de fronteira:

menos banda agregada; menos poder de encaminhamento de pacotes; mais

interfaces, de menos velocidade cada uma; sistema de enfileiramento mais

sofisticado, mecanismos de QoS; rodam protocolos interdomínios (BGP).

3. Roteadores institucionais:é suficiente o uso de switches gigabits com alguma

capacidade simples de roteamento (switch – L3), apresentando: Firewall

integrado; capacidade de formatação de tráfego; vários tipos de interface;

capacidade de lidar com tráfego legado.

No exemplo do slide 2-78 se mostra o cenário institucional típico, com a

agregação de tráfego realizada no switch, que pode ser do tipo L3, tomando para si as

funções de comutação de pacotes e pesquisa veloz de cabeçalho (ambas realizadas por

hardware), dividindo tarefas com o roteador, que neste caso se especializaria em rotear

pacotes.


Os switches (incluindo o L3) são compostos de:

LINE CARD – interface elétrica ou ótica;

SWITCH FABRIC – com as possibilidades:

- menos que 1 Gbps: backplane bus - menos que 20 Gbps: crossbar ou

memória compartilhada

- mais que 20 Gbps: crossbar ou múltiplo estágio

CONTROLADOR – no caso do switch L3 também responsável por montar a tabela de

roteamento a partir do protocolo de roteamento.

Obs: Protocolos de roteamento será um dos capítulos de Redes 2.


Nesta seção introduzimos os primeiros conceitos de engenharia de tráfego e uma

discussão sobre a colocação de cache (ou proxy). Este assunto é particularmente

relevante para o momento que analisarmos multimídia (Redes 2). Por ora, nossa

preocupação será com dimensionamentos de enlaces e caches.


No exemplo do slide 2-81 existem duas redes: a rede institucional e a Internet. A

rede institucional é uma LAN de alta velocidade. Em cada uma das redes, institucional e

Internet, existem dois roteadores conectados por um enlace de 1.5 Mbps.

Suponha que o tamanho médio de objetos seja 100 Kb e que a taxa média de

pedidos dos browsers da instituição seja 15 pedidos/seg. Suponha ainda que o tempo

gasto desde quando um roteador do lado da Internet encaminha um pedido HTTP

dentro de um diagrama IP até o instante que ele recebe a correspondente resposta é de 2

segs, em média (retardo da Internet). O tempo total de resposta é a soma do retardo da

LAN, o tempo de acesso entre dois roteadores e o retardo da Internet. A intensidade de

tráfego na LAN é:

INTENSIDADE DE TRÁFEGO = (15 pedidos/seg) * ( 100 Kbits/pedido) / (10 Mbps) = 0.15

A intensidade no link de acesso é:

INTENSIDADE DE TRÁFEGO = (15 pedidos/seg) * (100 Kbits/pedido)/(1.5 Mbps) = 1


A curva ilustrada no slide 2-82 correlaciona intensidade de tráfego com o retardo

esperado na entrega de um pacote. Perceba o comportamento extremado, de desprezível

a incontrolável.

Uma intensidade de tráfego de 0.15 na LAN tipicamente significa, no máximo,

dezenas de mili segundos de retardo, portanto, podemos desprezar o retardo da LAN.

Por outro lado, quando a intensidade de tráfego aproxima-se de 1, o retardo no link é

muito grande e cresce sem limites. Assim, o tempo médio para satisfazer um pedido

pode ser da ordem de minutos ou mais !!


Uma solução para o problema anterior é aumentar a taxa de acesso de 1.5 Mbps

para 10 Mbps. A intensidade de tráfego no link de acesso cairá para 0.15, tornando

desprezível o retardo entre os dois roteadores. O tempo total de resposta passa a

aproximadamente 2 segs. Por outro lado, esta atualização pode sair caro!

Outra solução é instalar uma Web cache. A fração dos pedidos que seja

satisfeita pela cache (HIT RATE) situa-se na prática entre 0.2 e 0.7. Suponhamos que o

HIT RATE do exemplo seja 0.4. Como os clientes e a cache estão na mesma LAN de

alta velocidade, o retardo de atendimento do cliente pela cache é rápido, digamos, 10

mili segs. Apenas 60% dos pedidos terão que atravessar o enlace de 1.5 Mbps, então a

intensidade do tráfego reduz de 1 para 0.6. Para intensidade de tráfego menor que 0.8,

enlaces de 1.5 Mbps apresentam retardo na ordem de dezenas de mili segundos,

desprezível portanto, quando comparado com os 2 segs do retardo da Internet. O retardo

médio é, portanto:

0.4 * (0,010 segs) + 0.6 * (2,01 segs) 1.21 segundos !!Exemplo: O sistema europeu

NLAMR mantém caches nacionais cooperando em 3 níveis (empresa, regional e


backbone) de forma hierárquica. Tomando por base 100 pedidos de páginas HTML, se

as taxas de hits são, respectivamente, 20%, 40% e 80%:

a) calcule a taxa de hits total esperada;

b) qual o tempo médio de atendimento esperado?de quanto é a melhoria se

comparado ao caso sem cache NLAMR (só cache local)?Solução:

Possivelmente em sala de aula. Respostas: 90%; 0.746 segs; 115% melhor.

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