reco 01 introducao [Modo de Compatibilidade]rcmg/cefet-al/reco/aulas/reco... · 2009. 2. 22. · 1 Redes de Computadores Introdução Reinaldo Gomes [email protected] Evolução

1

Redes de Computadores

IntroduçãoIntrodução

Reinaldo [email protected]

EvoluçãoConceitos

Topologias

Evolução na comunicaçãoComunicação sempre foi uma necessidade humana, buscando aproximar comunidades distantes

Sinais de fumaçaPombo-correioTelégrafo (século XIX) - Código MorseRedes TelefônicasRedes de Distribuição: TV, Rádio, TV a cabo

Evolução no processamentoIniciada durante a década de 50, com o surgimento dos primeiros sistemas de computadores

Baseados em grandes equipamentos para processamento e armazenamento de informações

Evolução no processamentoProcessamento batch (1950)Terminais interativos (1960) - sistemas operacionais de tempo compartilhado.Problemas:

C fi bilid dConfiabilidadeConfiguração do sistema não agradava ao usuárioDependência de um gerenciamento centralizado

Evolução no processamentoTecnologia digital e micro eletrônica

Mini e micro computadores pessoais com preço reduzido (1970)

• descentralização• individualização• individualização

Evolução no processamentoRedes Locais

compartilhamento de recursosdistribuição e paralelismocorreio eletrônicotransferência de arquivostransferência de arquivos

2

Evolução da Informática Evolução da Informática ççnas Empresasnas Empresas

Centro de Processamento

de Dados

Departamento Pessoal Departamento Financeiro

Processamento Batch

Diretoria

Sala deReuniões

Departamento Comercial


de Dados


S l d

Processamento On-Line

Diretoria

Sala deReuniões



de Dados


S l d

Computadores Pessoais

Diretoria

Sala deReuniões



de Dados

Departamento PessoalDepartamento Financeiro

S l d

Redes Locais de Computadores

Diretoria

Sala deReuniões


Sala de Distribuição


de Dados


Integração Total

Diretoria


Sala de Reuniões

Diretoria


3

Funções das RedesCompartilhar dispositivos periféricos ($$$)

ImpressorasCD-ROM/CD-RWScannersF / dFax/modemsUnidades de fita

Interagir com outros usuários na redeGerenciar agendas de grupoEnviar e receber correio eletrônicoViabilizar reuniões eletrônicas

Funções das RedesSegurança

Permitir que a duplicação de informações seja feita facilmente entre dois computadoresHoje em dia já é mais um problema que uma vantagem

Disponibilidade de serviçosPermite que um serviço importante continue funcionando em outra máquina quando a principal falha, e.g. sistemas bancários redundantes, sistemas de usinas nucleares, etc.

Diversão e disseminação de informaçõesJogos em redeAcesso a notícias e bases de informações públicas e privadas

ShoppingShoppingEletrônicoEletrônico

TeleTele--conferênciaconferência

Aplicações possíveis

Video sob Video sob demandademanda

Home BankingHome BankingDistribuição via Distribuição via Redes de GPSRedes de GPS

Integração Eletrônica Integração Eletrônica de Documentosde Documentos

Outras...Outras...

DefiniçõesO que é uma rede de computadores?“Conjunto de módulos processadores capazes de trocar

informações e compartilhar recursos, interligados por um sistema de comunicação.”

“O sistema de comunicação vai se constituir de um arranjo topológico interligando os vários módulos processadores através de enlaces físicos (meios de transmissão) e de um conjunto de regras com o fim de organizar a comunicação (protocolos)”

[Soares, 1995]

Definições

Sistema deEstação Estação

Sistema deComunicação

EstaçãoEstação

DefiniçãoRedes de Computadores:

Conjunto de computadores autônomos interconectados

Sistemas Distribuídos:Conjunto de computadores autônomos interconectados que aparecem para o usuário como um único computador

4

Hardware de redesTipos de interconexões:

Ponto-a-ponto:

Difusão (broadcast):

Tecnologia de transmissãoRedes de difusão

Um canal é compartilhado por todosPermitem multi-difusão (multicasting)Redes de pequenas dimensões

Redes ponto a pontoAs mensagens trafegam por nós intermediáriosRedes de grandes dimensões

Escala

Rede pessoal (PAN): 1mRede local (LAN): 10m (sala), 100m (edifício), 1km (campus)Rede metropolitana (MAN): 10km (cidade)Rede metropolitana (MAN): 10km (cidade)Rede geograficamente distribuída (WAN): 100km (país), 1.000km (continente)A Internet: 10.000km (planeta)

Rede pessoal (PAN)Personal Area Network

Dispositivos ao redor do usuário trabalhando juntos e compartilhando informações e serviçosUtiliza tecnologia sem fio

Redes Locais (LANs)Características principais:

Altas taxas de transferência de dados (10/100Mbps)Baixas taxas de erros (alta confiabilidade)Dimensões restritasPropriedade privadaEm geral utilizam a interligação em broadcastBaixo custo

Redes Metropolitanas (MANs)Características principais:

Altas taxas de transferência de dados (10/100Mbps)Baixas taxas de errosDimensões maiores que uma LANRedes públicas ou de pesquisaNão possuem elementos internos de comutaçãoAlto custo

5

Redes de Longo Alcance (WANs)Características principais:

Baixas taxas de transferência de dados (10Mbps)Baixa confiabilidadeRedes públicasAlto custo (enlaces físicos)Em geral utilizam ligação ponto-a-pontoA sub-rede de comunicação possui elementos comutadores de pacotes

Exemplo:Rede Serpro, ARPANet (extinta), Internet/BR

Redes de Longo Alcance (WANs)Internet/BR (em 2007)

Redes de Longo Alcance (WANs)Exemplos de WAN:

Sub-rede

Roteador

Redes de Longo Alcance (WANs)Exemplos de WAN:

Sub-rede

LAN da UFAL

LAN do CEFET-AL

Linha Privada da TelemarPaga pelo UFAL

Roteador

Conceitos fundamentaisElementos físicos de uma rede

Estações ou sistemas finais (hosts)Sub-sistemas de comunicação (roteadores)Linhas ou enlaces de comunicação (links)( )

Elementos lógicosRegras de comunicação (protocolos)Serviços oferecidos pela rede

Sistemas finais (hosts)

ISP

ISPCompanhia

6

Sistemas finais (hosts)Exemplos de sistemas finais

Computadores pessoais de usuários conectados via ISPs por acesso discado ou outro meio (cable TV)C d li d d l l d Computadores ligados a uma rede local de uma empresa ou campusLaptop conectado via telefone celularPDAs (palmtops) Câmera digitalMáquina de lavar roupas

Sistemas finais (hosts)Exemplos de sistemas finais

Servidores de aplicações de empresas e instituições

• Servidores Web (quem devolve a página para você)• Servidores de email (quem encaminha seus emails)(q )• Servidores de FTP (quem controla quem pode pegar um

arquivo num download)

Os sistemas finais formam a borda ou fronteira da uma rede

Dividem-se em clientes e servidores

Sistemas finais (hosts)Clientes

São PCs domésticos, PDAs e equipamentos eletrônicos em geralProcuram ter uma interface (hardware ou

ft ) i á l i t iti fá il d software) amigável, intuitiva e fácil de usarPodem possuir recursos multimídiaSão ferramentas do dia-a-dia das pessoas

Sistemas finais (hosts)Servidores

São computadores com uma capacidade de processamento e armazenamento muito maior que as dos clientesSão utilizados pelos prestadores de serviços São utilizados pelos prestadores de serviços (ISPs, empresas de processamento de dados, bancos, instituições de ensino, governo, etc.)Em geral funcionam 24h por dia, 7 dias por semana e 12 meses por anoPossuem acesso restrito

Sistemas finais (hosts)Modelo cliente/servidor:

www.cefet-al.br ?

ClienteHardware/SO: PC/Windows

Software: Mozila Firefox

ServidorHardware/SO: Sun/SolarisSoftware: Apache Server

[arquivo da página do CEFET-AL]

Sistemas finais (hosts)

Modelo Peer-to-PeerCada estação é, ao mesmo tempo, cliente e servidorExemplo de aplicações: KaZaa, Napster (finado)

7

Elementos internos (roteadores)

ISP

ISPCompanhia

Elementos internos (roteadores)Decidem pela melhor rota ou caminho a ser tomado por uma mensagem em trânsitoO destinatário pode estar diretamente conectado ao roteador ou nãoCada roteador possui portas onde se conectam os enlaces ou linhas de comunicação

Quanto mais portas mais complicado/demorado é para um roteador decidir para onde encaminhar a mensagem em trânsito

Elementos internos (roteadores)Como são os roteadores fisicamente?

Computador PC rodando um software específico que faz o roteamento

• As portas num PC são as placas de rede que devem ser adicionadas ao seu barramentoadicionadas ao seu barramento

Hardware específico (computador dedicado)• O fabricante indica quantas portas o roteador possui e a

velocidade de cada uma delas• Empresas fabricantes de roteadores: Cisco, Cyclades,

IBM, 3Com, Digitel

Elementos internos (roteadores)Exemplos de roteadores

Roteador CISCO


Roteador CISCO


Roteador Cyclades

8

Enlaces de comunicação (links)

ISP

ISPCompanhia

Enlaces de comunicação (links)Propagam as mensagens entre duas ou mais estações

Os enlaces são formados por meios físicos de transmissão de sinais ópticos ou eletro-magnéticos

Ar (rádio freqüência, canais de satélite, etc.)Fios metálicos (cobre, etc.)Fibra ótica

Cada meio tem vantagens e limitações (+depois)

Enlaces de comunicação (links)

Exemplos:

Redes de acessoResidencial:

Modem discado: até 56KbpsADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line): banda larga: até 8Mbps downlinkHFC (Hybrid Fiber Coaxial): TV a cabo; acesso compartilhado das casas de um condomínio ou um bairro

Modem discadoAté 56 kbps com acesso direto ao roteador (menos em tese)Não é possível navegar e telefonar ao mesmo tempo: não pode estar “sempre on-line”

ADSL: asymmetric digital subscriber line

Acesso residencial: redes ponto-a-ponto

y gAté 1 Mbps de upstream (hoje tipicamente < 256 kbps)Até 8 Mbps de downstream (hoje tipicamente < 1 Mbps)OFDM: 50 kHz – 1 MHz para downstream

• 4 kHz–50 kHz para upstream• 0 kHz–4 kHz para telefonia comum

HFC: híbrido fibra e coaxialAssimétrico: até 30 Mbps upstream, 2 Mbps downstream

R d d b fib li idê i t d

Acesso residencial: cable modems

Rede de cabo e fibra liga residências ao roteador do ISP

Acesso compartilhado das casas de um condomínio ou de um bairro

Deployment: disponível via companhias de TV a cabo

9

Tipicamente 500 a 5.000 casas

Arquiteturas de redes a cabo: visão geral

casa

ponto final do cabo

rede de distribuiçãode cabo (simplificada)


casa

ponto final do cabo


servidor(es)


casa

ponto final do cabo


canais

VIDEO

VIDEO

VIDEO

VIDEO

VIDEO

VIDEO

DATA

DATA

CONTROL

1 2 3 4 5 6 7 8 9

FDM:


casa

ponto final do cabo


canais

Redes de acessoInstitucional:

LANs (Local Area Networks): Ethernet –10/100Mbps, Gigabit Ethernet

Sem fio:WLANs (Wireless LANs): utiliza ondas de rádio; comum: 11 e 54 Mbps

Meios físicosMeios guiados

Os sinais se propagam em meios sólidos: par trançado, cabo coaxial, fibra óptica

Meios não guiadosAs ondas se propagam na atmosfera e no espaço: rádio

10

Internet – um exemploO que é a Internet?

Milhões de elementos de computação interligados: hosts ou sistemas finaisExecutando aplicações distribuídasConectados por enlaces de comunicação e roteadoresSeguindo protocolosFormando uma rede de redes

Internet – um exemploISP local

ISP regional

redecorporativa

roteador estaçãoservidor

móvel

Intranet e extranetMesma tecnologia da Internet

IntranetRedes privadas sem acesso externoRedes privadas sem acesso externo

Extranet“Intranet extendida”, com acesso externo restrito a pessoas autorizadas

ProtocolosO que é um protocolo?

Conjunto de regras que definem o envio e recebimento das informações (mensagens)

Oi

Protocolo humano Protocolo de Redes de Comp.

Oi

Oi

Que horas são?

2:00

TCP pedido de conexão

TCP resposta de conexão

<arquivo>tempo

Get http://gaia.cs.umass.edu/index.htm

Estrutura da rede (Internet)Bordas da rede:

hostsNúcleo da rede:

rotedoresRedes de acesso e meios físicos:

enlaces de comunicação

Bordas da redeServiço orientado à conexão:

Estabelecimento prévio de condições para o envio de dados (aperto de mão)

Serviço não orientado à conexão:Dados enviados sem “acordo” prévio

11

ComutaçãoComo os enlaces serão compartilhados entre as diversas estações comunicantes?

Comutação ou chaveamentoComutação ou chaveamentoForma como será realizada a alocação de recursos para a transmissão na rede

Modalidades de comutação Comutação de circuitosComutação de pacotes

Comutação de circuitosOs recursos necessários ao longo de um caminho (enlaces, buffers, banda, etc) são reservadosdurante o tempo em que durar a comunicaçãoRecursos dedicados: não há compartilhamentoF ã d i it i t lFormação de um circuito virtualNecessidade de estabelecimento da conexão fim-a-fimExemplos:

Rede telefônica

Comutação de circuitos

ISP

ISPCompanhia

Comutação de circuitosOs recursos da rede são divididos em “pedaços”

Exemplo: Um canal de 100Mbps pode ser dividido em 20 canais de 5Mbps

A d did d ã “ d ” d t é A cada pedido de conexão um “pedaço” deste é reservado

Recursos não utilizados ficam ociosos pelo tempo em que durar a ausência de comunicação não há compartilhamento (recursos dedicados após reserva)

Comutação de pacotesA mensagem a ser transmitida é dividida em pacotes (pedaços menores)

Cada pacote utiliza toda a largura de banda do lenlace

Após transmitir um pacote, o enlace ou canal fica disponível para quem desejar transmitir (não há reserva de recursos)

O enlace fica reservado a um pacote apenas durante o tempo de transmissão do pacote

Comutação de pacotesCada fluxo de dados fim-a-fim é dividido em pacotes:

Recursos compartilhados e usados sob demandaCada pacote usa toda a banda

A

B

C10 Mbits/sEthernet

1.5 Mbits/s

multiplexação estatística

fila de pacotes esperandopelo enlace de saída

A

B

C10 Mbits/sEthernet

1.5 Mbits/s

multiplexação estatística

fila de pacotes esperandopelo enlace de saída

12

Comutação de pacotesComo não há reserva de recursos:

Pedidos por recursos podem extrapolar a capacidade real instalada!Congestionametos: pacotes são enfileirados nos elementos intermediários da rede para serem elementos intermediários da rede para serem processados e transmitidosStore-and-forward: pacotes movem-se um passo de cada vez

• Cada roteador armazena os pacotes recebidos numa fila, processa-os e, quando houver disponibilidade de enlace, transmite-os para o próximo elemento (roteador ou host)

Comutação de pacotesExemplo:

L

L = 7.5 MbitsR = 1.5 MbpsAtraso = 15 segundos (3*L/R)

R R R

L/R = tempo de transmissão de uma mensagem L com uma taxa de R bps


M1

M2==

= LAN= WAN= WAN


M1

M2==


M1

M2==


M1

M2==

13


M1

M2==


M1

M2==


M1

M2==


M1

M2==


M1

M2==


M1

M2==

14


M1

M2==

Pacotes versus CircuitosComutação por pacotes é melhor?

Sim, para transmissão esporádica de dados: melhor compartilhamento de recursos e não há conexão;

Não, quando necessária garantia de taxa de transmissão.

Redes de pacotes: roteamentoRedes de datagramas:

O endereço de destino determina o próximo saltoRotas podem mudar durante uma sessãoAnalogia: dirigir perguntando o caminhog g g

Redes de circuitos virtuais:Cada pacote leva um no que determina o próximo saltoRota é fixa e escolhida no estabelecimento da conexãoRoteadores guardam o estado de cada conexão

Atraso em redes de pacotes

Atransmissão

propagaçãoAtransmissão

propagação

B

processamento enfileiramento

B

processamento enfileiramento

Filas de pacotes em buffers de roteadoresTaxa de chegada de pacotes ao link ultrapassa a capacidade do link de saída

Fila de pacotes esperam por sua vez d i id ( )

Como perdas e atrasos ocorrem?

A

B

pacote sendo transmitido (atraso)

enfileiramento de pacotes (atraso)buffers livres (disponíveis): pacotes chegando descartados (perda) se não houver buffers livres

1. Processamento nos nós: • Verifica erros de bit• Determina link de saída

2. Enfileiramento• Tempo de espera no link de saída para transmissão

D d d í l d ti t d t d

Quatro fontes de atraso de pacotes

• Depende do nível de congestionamento do roteador

15

3. Atraso de transmissão:• R = largura de banda do link (bps)• L = tamanho do pacote (bits)• Tempo para enviar bits ao link = L/R

4. Atraso de propagação:• d = comprimento do link físico

Atraso em redes de comutação de pacotes

d co p e o do s co• s = velocidade de propagação no meio (~2x108 m/s)• Atraso de propagação = d/s

Nota: “s” e “R” são medidas muito diferentes!

• d = atraso de processamento

proptransfilaprocno ddddd +++=

Atraso Nodal

• dproc = atraso de processamento• Tipicamente uns poucos microssegundos ou menos

• dfila = atraso de fila• Depende do congestionamento

• dtrans = atraso de transmissão• = L/R, significante para links de baixa velocidade

• dprop = atraso de propagação• Uns poucos microssegundos a centenas de milissegundos

Topologias de redesClassificação das redes quanto à topologia:

Completamente conectada

Parcialmente conectada

Topologias de redesClassificação das redes quanto à topologia:

Topologia em barra

Topologia em anel

Topologia em estrela

Topologias de redesTopologia Lógica X Topologia Física

Qual a melhor topologia? Por quê?

Parâmetros de comparaçãoConfiabilidade

• O que acontece se uma estação sai do ar?Desempenho

• As mensagens chegam ao seu destino dentro de um tempo satisfatório?

• O que acontece com a rede em momentos de pico de tráfego entre as estações?

Topologias de redesParâmetros de comparação

Custo• Equipamentos, treinamento, etc.

Possibilidade de expansão• Qual a dificuldade de adicionar novas estações à rede?• Qual a dificuldade de adicionar novas estações à rede?

Retardo de transferência• Soma dos retardos de acesso com o de transmissão• Retardo de acesso: intervalo de tempo entre a geração da

mensagem a transmitir e o momento em que a estação recebe o direito de transmiti-la no meio

• Retardo de transmissão: tempo decorrido entre o início da transmissão da mensagem até seu completo recebimento pela estação de destino

16

Completamente conectadaConfiabilidade

Bastante confiável, a falha de um nó não afeta o conjuntoDesempenho

Não há necessidade de roteamento, pois há uma rota de cada estação para as demaiscada estação para as demais

CustoMuito alto (custo depende basicamente dos enlaces físicos)

ExpansãoDificuldade em manter a rede totalmente conectada

Retardo de transferênciaÉ sempre o mesmo para quaisquer duas estações

Parcialmente conectadaConfiabilidade

A falha de um nó pode comprometer a redeDesempenho

As mensagens têm um atraso de entrega dependente do nó de destinoHá necessidade de roteamento de mensagens

CustoMenor que o da topologia anterior (menos enlaces)

ExpansãoMaior facilidade de expandir sem comprometer o custo

Barra ou barramentoFuncionamento:

Uma estação transmite de cada vez, as outras "escutam"Há uma forma de garantir este direito de transmissão

Confiabilidade:F lh d ó ã t f i t d dFalha de um nó não compromete o funcionamento da rede

Desempenho:Não há necessidade de roteamento de mensagensTodas as estações “ouvem” todas as mensagens transmitidas por qualquer outra estação (broadcasting)O que acontece quando mais de uma estação transmite simultâneamente? Ocorre uma colisão

Barra ou barramentoCusto:

Baixo. A tecnologia em barra evoluiu bastante e já está acessível até para usuários de redes domésticas

Expansão:pA adição de mais estações a uma rede em barra é relativamente fácil, mas depende do meio físico empregadoPode ser feita com a rede em funcionamentoPares trançados são mais fáceis de manipular que fibra ótica, por exemplo.Há um limite no tamanho máximo do segmento (fio), no número máximo de estações definidas e na distância entre elas (padrões IEEE 802)

Barra ou barramentoRetardo de transferência:

Pode ser comprometido pelo retardo de acesso

Outras possibilidades:Li ã d i d b li t h Ligação de mais de uma barra, para ampliar o tamanho do segmento

AnelFuncionamento:

Cada estação está ligada a uma antecessora e a uma sucessoraFluxo de dados em um único sentido (baixo custo)

Confiabilidade:Confiabilidade:Dependente de cada nó e do anel em si

Desempenho:As mensagens têm um atraso constante para girar o anelCada estação deve esperar sua vez para transmitir token ou ficha de transmissão

Custo:Um pouco mais alto que uma rede em barra

17

AnelExpansão:

As estações são repetidoras o anel pode ser muito grandeA inserção de novas estações pára o funcionamento da rede

Retardo de transferência:Aumenta com o tamanho do anel pois cada estação deve Aumenta com o tamanho do anel, pois cada estação deve armazenar, processar e retransmitir a mensagem para a estação seguinte (retardo de transmissão); além disso, a estação deve aguardar sua vez para transmitir (retardo de acesso)

Outras possibilidades:Anel duplo, com transmissão em sentidos opostosRelés de bypass

AnelInterface do anel:

Todas as estações devem permanecer ligadas para manter o funcionamento do anel


Relés de bypassem cada estação chaveiam quando a estação é desligada, mantendo o anel fechado e funcional


Duplo anelA falha de um anel ativa o outro e a rede continua operacional

EstrelaFuncionamento

Uma estação central é encarregada de distribuir as mensagens entre duas estações quaisquerTodas as outras estações se ligam fisicamente a ela

Topologias de redesTopologias mistas:

Fisicamente = estrela; logicamente = barra

concentrador

Fisicamente = estrela; logicamente = anel

concentrador

18


Fisicamente = estrela; logicamente = barra

Concentrador ou HubConcentrador ou Hub


Fisicamente = estrela; logicamente = anel

Concentrador ou HubConcentrador ou Hub

Documents

reco 01 introducao [Modo de Compatibilidade]rcmg/cefet-al/reco/aulas/reco... · 2009. 2. 22. · 1 Redes de Computadores Introdução Reinaldo Gomes [email protected] Evolução