la a Mara Salvatrucha x3

Transcrição

Redes de computadores e a Internet
Capítulo 1
Redes de
computadores
e a Internet
1
Material adicional
• http://www.aw.com/kurose_br
© 2005 by Pearson Education
1-2
1
•
•
•
•
•
•
•
•
1.1 O que é Internet?
1.2 Borda da rede
1.3 Núcleo da rede
1.4 Acesso à rede e meio físico
1.5 Estrutura da Internet e ISPs
1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes
1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço
1.8 História
Capítulo 1: Redes de computadores
e a Internet
1-4
1
O que é a Internet?
• Milhões de elementos de
computação interligados:
hospedeiros = sistemas finais
• Executando aplicações distribuídas
• Enlaces de comunicação
fibra, cobre, rádio, satélite
largura de banda em Hz (transições/s no meio)
taxa de transmissão em bits por segundo (bps)
• Roteadores: enviam pacotes
(blocos de dados)
1-5
1
O que é a Internet?
• Protocolos: controlam o envio e a
recepção de mensagens
ex.: TCP, IP, HTTP, FTP, PPP
• Internet: “rede de redes”
fracamente hierárquica
Internet pública e Internets
privadas (intranets)
• Internet standards
RFC: Request for comments
IETF: Internet Engineering Task Force
1-6
1
O que é um protocolo?
• Toda atividade de comunicação na Internet é governada
por protocolos
PROTOCOLOS DEFINEM OS FORMATOS, A ORDEM DAS
MSGS ENVIADAS E RECEBIDAS PELAS ENTIDADES DE
REDE E AS AÇÕES A SEREM TOMADAS NA
TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO DE MENSAGENS
1-9
1
• 1.1 O que é Internet?
• 1.2 Borda da rede
• 1.3 Núcleo da rede
• 1.4 Acesso à rede e meio físico
• 1.5 Estrutura da Internet e ISPs
• 1.6 Atraso e perda em redes de comutação de pacotes
• 1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço
• 1.8 História
1 - 11
1
Uma visão mais de perto da estrutura da rede:
• Borda da rede:
aplicações e hospedeiros
• Núcleo da rede:
roteadores
rede de redes
• Redes de acesso, meio físico:
enlaces de comunicação
Ex.: par telefônico no Velox,
cabo coaxial residencial no
Virtua
1 - 12
1
As bordas da rede
• Sistemas finais (hospedeiros):
• Executam programas de
aplicação
• Ex.: Web, e-mail
• Localizam-se nas extremidades
da rede
• Modelo cliente/servidor
• O cliente toma a iniciativa
enviando pedidos que são
respondidos por servidores
• Ex.: Web client (browser)/
server; e-mail client/server
• Modelo peer-to-peer (P2P):
• Mínimo (ou nenhum) uso de
servidores dedicados
• Ex.: Gnutella, KaZaA
1 - 13
1
Borda da rede: serviço orientado à conexão
Meta: transferência de dados entre sistemas finais com negociação prévia.
• Handshaking: estabelece as condições para o envio de dados antes de enviá-los
• Estados de “conexão” controlam a troca de mensagens entre dois hospedeiros
• TCP - Transmission Control Protocol [RFC 793]: realiza o serviço orientado à
conexão da Internet
• Transferência de dados confiável e seqüencial, orientada à cadeia de bytes
• Perdas: reconhecimentos e retransmissões
• Controle de fluxo:
• Evita que o transmissor afogue o receptor
• Controle de congestão:
• Transmissor reduz sua taxa quando a rede fica congestionada
Aplicações usando TCP:
• HTTP (Web), FTP (transferência de arquivo), Telnet (login remoto), SMTP (email)
1 - 14
1
Borda da rede: serviço sem conexão
Meta: transferência de dados entre sistemas finais
• Sem qualquer negociação prévia
• UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: oferece o serviço
sem conexão da Internet
• Transferência de dados não confiável
• Sem controle de fluxo
• Sem controle de congestão
Aplicações usando UDP:
• Streaming media, teleconferência, DNS, telefonia IP
1 - 15
1
• 1.8 História
1 - 16
1
O núcleo da rede
• Malha de roteadores
interconectados
• A questão fundamental:
como os dados são transferidos
através da rede?
• Comutação de circuitos: usa
um canal dedicado para cada
conexão.
Ex.: rede telefônica
• Comutação de pacotes: dados
são enviados em “blocos”
discretos
1 - 17
1
O núcleo da rede: comutação de circuitos
Recursos fim-a-fim são reservados
por “chamada”
• Taxa de transmissão, capacidade
dos comutadores
• Recursos dedicados: não há
compartilhamento
• Desempenho análogo aos circuitos
físicos ponto a ponto (QOS
garantido)
• Exige estabelecimento de conexão
1 - 18
1
Pergunta
Como conectar cada um dos concentradores com o host a 64 Kbps?
?
?
?
HOST
?
• Solução trivial
64 Kbps
HOST
64 Kbps
1 - 21
1
Solução TDM (Time Division Multiplexing)
64 Kbps
64 Kbps
MUX
TDM
byte byte byte byte
sc 1 sc 2 sc 1 sc 2
128 Kbps
64 Kbps
MUX
TDM 64 Kbps
• Alocação fixa de sub-canais no domínio do tempo
• Síncrono (STDM)
1 - 22
HOST
1
Solução: FDM (Frequency Division Multiplexing)
64 Kbps
64 Kbps
128 Kbps
MUX
FDM
64 Kbps
MUX
64 Kbps
FDM
• Alocação fixa de sub-canais no domínio da frequência
• Síncrono
1 - 23
HOST
1
Solução: ATDM (Asynchronous TDM)
byte ID byte ID byte ID
64 Kbps
64 Kbps
•
•
•
•
•
MUX
TDM
128 Kbps
MUX
TDM
64 Kbps
64 Kbps
Alocação variável de sub-canais no domínio do tempo
Overhead para endereçamento do subcanal
Alocação dos sub-canais em função da demanda
Ideal para acomodar tráfego em rajada (bursty)
Assíncrono
1 - 24
HOST
1
Exemplo numérico
• Quanto tempo leva para enviar um arquivo de 640.000 bits do hospedeiro
a para o hospedeiro B numa rede de comutação de circuitos?
• Todos os links possuem 1,536 Mbps (T1)
• Cada link utiliza TDM com 24 slots
• 500 ms para estabelecer um circuito fim-a-fim.
Calcule!
1 - 25
1
•
•
•
•
Solução
Cada slot usará uma banda de 1,536 Mbps/24 = 64 kbps
Estabelecimento do circuito = 500 ms
Tempo de transferência = 640 kb/64 kbps = 10 s
Tempo total = 10,5 s
1 - 26
1
Técnicas de comutação
B
A
Pedido de Conexão
Circuito
Aceite da Conexão
Transferência de Dados
Pacotes
1 - 27
C
1
Núcleo da rede: comutação de pacotes
Cada fluxo de dados fim-a-fim é dividido em pacotes
• Os recursos da rede são compartilhados em bases estatísticas
• Cada pacote usa toda a banda disponível ao ser transmitido
• Recursos são usados na medida do necessário
Contenção de recursos:
• A demanda agregada por recursos pode exceder a capacidade disponível
• Congestão: filas de pacotes, espera para uso do link
• Armazena e reenvia: pacotes se movem um “salto” por vez
• O nó recebe o pacote completo antes de encaminhá-lo
Banda passante é dividida em “slots”
Alocação fixa
Reserva de recursos
1 - 28
1
Comutação de pacotes: multiplexação estatística
A seqüência de pacotes A e B não possui padrão específico
multiplexação estatística
No TDM, cada hospedeiro adquire o mesmo slot dentro do frame TDM
1 - 29
1
Comutação de pacotes x comutação de circuitos
Comutação de pacotes permite que mais usuários usem a mesma rede!
• Enlace de 1 Mbps
• Cada usuário:
• 100 kbps quando “ativo”
• Ativo 10% do tempo
• Comutação de circuitos:
• 10 usuários comutação de pacotes:
• Com 35 usuários, probabilidade {# de ativos > 10} < 0,0004
1 - 30
1
Comutação de pacotes x comutação de circuitos
A comutação de pacotes é melhor sempre?
• Ótima para dados esporádicos
• Melhor compartilhamento de recursos
• Não há estabelecimento de chamada
• Congestionamento excessivo: atraso e perda de pacotes
• Protocolos são necessários para transferência confiável, controle de
congestionamento
• Como obter um comportamento semelhante ao de um circuito físico?
• Garantias de taxa de transmissão são necessárias para aplicações de
áudio/vídeo
• Problema ainda sem solução (capítulo 6)
1 - 31
1
Comutação de pacotes: armazena e reenvia
• Leva L/R segundos para enviar pacotes de L bits num enlace de R bps
• O pacote todo deve chegar no roteador antes que seja transmitido para o
próximo link: armazena e reenvia (store and forward)
• Atraso = 3L/R
Exemplo:
L = 7,5 Mbits
R = 1,5 Mbps
atraso = 15 s
1 - 32
1
• Tempo de propagação assumido desprezível no desenho acima
• Refaça o desenho assumindo tempo de propagação não desprezível
1 - 33
1
1 - 34
1
Redes de comutação de pacotes: roteamento
• Objetivo: mover pacotes entre roteadores da origem ao destino
• Iremos estudar vários algoritmos de seleção de caminhos
(roteamento)(capítulo 4)
• Redes datagrama:
• O endereço de destino determina o próximo salto (hop)
• Rotas podem mudar durante uma sessão
• Analogia: dirigir perguntando o caminho
• Rede de circuitos virtuais:
• Cada pacote leva um número (virtual circuit ID), o número determina o
próximo salto, ou seja, a rota a ser seguida pelo pacote
• O caminho é fixo e escolhido no instante de estabelecimento da conexão,
permanece fixo durante toda a conexão
• É mantido um estado por conexão
1 - 35
1
Roteamento via Circuito Virtual (VC)
• Orientado a conexão
– Fase de estabelecimento de conexão necessária
– Pode ser solicitada uma determinada QoS (banda, atraso máximo, custo,
confiabilidade, etc) para o VC, influindo na rota a ser escolhida
– Determinação de rota pode ser tarefa demorada
• Pacotes carregam números do VC (menores) em vez de endereços
completos de fonte e destino (grandes, em geral)
– Overhead menor
• Pacotes de um mesmo VC seguem por uma única rota pré-estabelecida
• Procedimento de roteamento baseado em consulta a tabela, indexada
pelo VC
– Neste caso diz-se comutação de pacotes, pois um algoritmo não é executado
no processamento do pacote
1 - 36
1
Roteamento de VC
COMUTADOR
A
B
VC 1
VC 1
VC 7
De
# VC Para # VC
A
1
D
1
A
7
E
9
B
3
E
1
B
1
D
2
D
2
C
9
VC 3
VC 1
C
VC 9
D
VC 2
VC 2
VC 9
E
VC 1
1 - 37
1
Uso de rotas virtuais
• Na Internet, a tecnologia MPLS (Multiprotocol Label
Switching) usa rotas virtuais e rótulo no pacote define o
caminho a ser seguido
– Ao comutar caminhar um pacote com rótulo, a tabela de rótulos no
comutador de pacotes (LSR – Label Switching Router) é consultada
para escolher o próximo rótulo e interface de saída
• Outras tecnologias também usam circuitos virtuais
– FRAME RELAY
• Usa circuitos virtuais definidos no cabeçalho do enlace (camada 2)
• DLCI (identificador do circuito virtual) é alterado a cada passagem por
um comutador FR
– ATM (Asynchronous Transfer Mode)
• Pacote quebrado em células que são enviadas por um circuito virtual
1 - 38
1
Roteamento de datagramas
• Fase de estabelecimento de chamada não é necessária
• Cada pacote carrega os endereços completos de fonte e
destino e segue a rota que for determinada no instante
• Vários procedimentos de roteamento possíveis
– Rota estática (fixa), incluindo rotas múltiplas
– Roteamento dinâmico para aumento de eficiência
1 - 39
1
Taxonomia da rede
• Uma rede de datagramas não é nem orientada à conexão nem não
orientada à conexão
• A Internet provê serviços com orientação à conexão (TCP) e serviços
sem orientação à conexão (UDP) para as aplicações
1 - 40
1
• 1.8 História
1 - 41
1
Redes de acesso e meios físicos
P.: Como conectar o sistema final ao
roteador de borda?
• Redes de acesso residencial
• Redes de acesso institucionais
(escolas, bancos, empresas)
• Redes de acesso móveis
Lembre-se :
• Largura de banda da rede de acesso?
Vai depender do meio físico.
• Taxa de transmissão da rede de
acesso? Vai depender da codificação
utilizada.
• Compartilhado ou dedicado?
1 - 42
1
Acesso residencial: redes ponto-a-ponto
• Discagem via Modem (dial-up)
• Até 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
• Até 1 Mbps de upstream, 8 Mbps de downstream
• FDM: [50 kHz – 1 MHz] para downstream
[4 kHz – 50 kHz] para upstream
[0 kHz – 4 kHz] para telefonia comum
1 - 43
1
Acesso residencial: cable modems
• HFC: híbrido fibra e coaxial
• Assimétrico: até 30 Mbps upstream, 2 Mbps downstream
Rede de cabo e fibra liga residências ao roteador do ISP
• Acesso compartilhado das casas de um condomínio ou de um bairro
• Implantação (deployment): disponível via companhias de TV a cabo
1 - 44
1
Arquiteturas de redes a cabo: visão geral
Tipicamente 500 a 5.000 casas
ponto final do cabo
rede de distribuição
de cabo (simplificada)
casa
1 - 45
1
ponto final do cabo
casa
1 - 46
1
servidor(es)
ponto final do cabo
casa
1 - 47
1
FDM:
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
D
A
T
A
D
A
T
A
C
O
N
T
R
O
L
1
2
3
4
5
6
7
8
9
canais
ponto final do cabo
casa
1 - 48
1
Acesso institucional: redes de área local
• A rede local (LAN) da companhia/universidade conecta sistemas finais ao
roteador de acesso
• Ethernet:
• Cabo compartilhado ou dedicado conecta sistemas finais e o roteador
• 10 Mbs, 100 Mbps, Gigabit Ethernet
LANs: capítulo 5
1 - 49
1
Redes de acesso sem fio
• Rede de acesso sem fio
compartilhada conecta sistemas finais
ao roteador
• Através de “ponto de acesso” da
estação base
• LANs sem fio:
• 802.11b (WiFi): 11 Mbps
• Wide-area de acesso sem fio
• Provido pelo operador telco
• 3G ~ 384 kbps
O que acontecerá
• WAP/GPRS na Europa
1 - 50
1
Redes residenciais
Componentes típicos de uma rede residencial:
• ADSL ou cable modem
• Roteador/firewall
• Ethernet
• Ponto de acesso sem fio
1 - 51
1
Meios físicos
• Bit: propaga-se entre os pares transmissor/ receptor
• Enlace físico: meio que fica entre o transmissor e o receptor
• Meios guiados:
• Os sinais se propagam em meios sólidos com caminho fixo: cobre, fibra
• Meios não guiados:
• Propagação livre, ex.: rádio
Twisted Pair (TP)
• Par de fios trançados de cobre isolados
• Categoria 3: taxas de transmissão até 10 Mbps categoria 5: 100 Mbps Ethernet
• Categoria 6: 1 Gbps Ethernet
1 - 52
1
Meio físico: coaxial, fibra
Cabo coaxial:
• Dois condutores de cobre
concêntricos
Cabo de fibra óptica:
• Fibra de vidro transportando pulsos de
luz, cada pulso é um bit
• Bidirecional banda base:
•
• Um único sinal digital presente no
cabo
• Legado de rede local Ethernet
•
• Banda larga:
• Canais múltiplos no cabo
• HFC
Alta velocidade de operação em
transmissão ponto-a-ponto (ex.: 10
Gbps)
Baixa taxa de erros
• Atenuação e distorção baixas,
permitindo repetidores bem espaçados
• Imunidade a ruídos eletromagnéticos
1 - 53
1
•
•
•
•
•
•
Espectro (Hz)
Rádio
105 a 1012
Infravermelho
1012 a 1014
Luz visível
1014 a 1015
Ultravioleta
1015 a 1016
Raios X
1016 a 1021
Raios Gama
acima de 1021
– fλ= c (velocidade da luz no vácuo)
– Um comprimento de onda λ de 1,3 µm corresponde a uma
freqüência f = 0,23 x 1015 Hz
1 - 54
1
Fibra ótica
• Transmite apenas luz
luz
Núcleo (core)
Casca (cladding)
buffer
1 - 55
1
Fibra ótica
• Zeros e Uns representam ausência ou presença de luz
• A luz visível tem freqüência entre 105 e 106 GHz, possibilitando uma
enorme largura de banda
• Um sistema de transmissão ótico tem três componentes:
– Meio de transmissão
• fibra ultra fina de vidro ou sílica fundida
– Emissor
• LED ou LASER, que emite luz, quando uma corrente elétrica é aplicada
– Foto detector
• FOTODIODO que gera um impulso elétrico quando recebe luz
1 - 56
1
Princípio da transmissão ótica
• A fibra é formada por um núcleo e um invólucro, com
índices de refração diferentes
• Quando a luz passa de um meio para outro, ela sofre
refração, retornando via reflexão (lei de Fresnel)
• Luz se propaga através de múltiplas reflexões internas
1 - 57
1
Fibra ótica
• Tipos
– Multimodo
– Monomodo
1 - 58
1
Fibra ótica
• Fibra Multimodo
– possui núcleo com diâmetro acima de 50 microns, onde a
luz se propaga por múltiplas trajetórias ou modos
=
1 - 59
1
Fibra ótica
• Fibra Multimodo
– modos percorrem distâncias diferentes ao longo da fibra fazendo com
que o tempo de propagação de cada modo varie (distorção modal)
– distorção modal limita a banda passante de uma fibra multimodo
abaixo de 1 GHz.km (ex.: 10 GHz em 0,1 km => 1GHz.km)
– o núcleo grande permite o uso de LEDs (mais baratos)
– fibra típica: 62,5 µm\125 µm (núcleo/casca)
1 - 60
1
Fibra ótica
• Fibra Monomodo
– possui um núcleo tão pequeno (de 7 a 10 µm), de forma que somente
um modo se propaga ao longo da fibra, eliminando o efeito da
distorção modal
– banda passante de vários GHz.km
– fibra típica: 8 µm / 125 µm
– é necessário usar LASER, que é capaz de focalizar a luz no pequeno
diâmetro do núcleo, mas com custo maior que LED
– custo comparável (ou até menor) que o da fibra multimodo devido ao
seu amplo uso em sistemas telefônicos (porém interfaces monomodo
ainda são mais caras)
1 - 61
1
Fatores limitantes do desempenho das fibras óticas
• Atenuação
– absorção (conversão para calor) e espalhamento (radiação)
• Fatores limitantes da banda passante
– dispersão modal
– dispersão do material (imperfeições afetando o índice de
refração)
– dispersão cromática
• provocada pela fonte não ser exatamente monocromática (velocidade de
propagação depende do comprimento de onda)
• medida em ps/(nm.km)
– dispersão quase nula em torno de 1300 nm
1 - 62
1
Fibra Ótica
Atenuação (dB/km)
• Curva de Atenuação Típica
picos de
absorção
10
5
janelas de
baixa
atenuação
1
0.5
0.1
800
1000
1200
1400
Comprimento de Onda (nm)
1 - 63
1600
1
Fibra ótica
• Janelas de Transmissão
– utiliza as faixas de comprimentos de onda em que a
atenuação é menor
• janela 1: 800 a 900 nm
– comprimento utilizado: 850 nm (2,1 dB/km)
• janela 2: 1250 a 1350 nm
– comprimento utilizado:
1310 nm (0,3 dB/km)
• janela 3: 1500 a 1600 nm
1550 nm (0,15 dB/km)
– luz visível: 700 a 1400 nm
– comprimento utilizado:
1 - 64
1
Meio físico: rádio
• Sinal transportado como campo eletromagnético
• Não há fios físicos
• Bidirecional
• O ambiente afeta a propagação:
• Reflexão
• Obstrução por objetos
• Interferência
1 - 65
1
Meio físico: rádio
Tipos de canais de rádio:
• Microondas terrestre
• Canais de até 45 Mbps
• LAN (ex.: WiFi)
• 2 Mbps, 11 Mbps
• Wide-area (ex.: celular)
• Ex., 3G: centenas de kbps
• Satélite
• Canal de até 50 Mbps (ou vários canais menores)
• 270 ms de atraso fim-a-fim (passando uma vez pelo satélite
geossíncrono ou geo-estacionário)
• Geossíncrono versus LEOS (baixa órbita)
1 - 66
1
• 1.8 História
1 - 67
1
Estrutura da Internet: rede de redes
• Grosseiramente hierárquica
• No centro: ISPs de “zona-1” (ex.: UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T),
cobertura national/international
• Os outros são igualmente tratados
A Zona-1 também provê interconexão
nos pontos de acesso (NAP – Network
Access Point) da rede pública
A Zona-1
provê
interconexão
(peer) de
modo
privativo
ISP Zona-1
NAP
ISP Zona-1
ISP Zona-1
1 - 68
1
ISP de Zona-1 – ex.: Sprint
Rede de backbone da Sprint US (http://www.sprintworldwide.com/english/maps/)
Enlaces mais rápidos: OC-192/STM-64 (aprox. 10 GHz, 64 x 155,52 Mbps)
1 - 69
1
• ISPs de ”Zona-2”: ISPs menores (freqüentemente regionais)
• Conectam-se a um ou mais ISPs de Zona-1, possivelmente a outros
ISPs de Zona-2
ISP Zona-2
• ISP Zona-2 paga ao
ISP Zona-1 pela
conectividade ao
resto da Internet
• ISP Zona-2 é
cliente do provedor
de Zona-1
ISP Zona-2
ISP Zona-1
ISP Zona-1
ISP Zona-1
ISP Zona-2
NAP
ISP Zona-2
1 - 70
ISPs de Zona-2
também provêm
conexão
privativamente
entre si,
interconexão em
NAP
ISP Zona-2
1
• ISPs de “Zona-3” e ISPs locais
• Última rede de acesso (“hop”) (mais próxima dos sistemas finais)
ISP
local
ISPs locais e de
Zona-3 são
ISP
Zona-3
ISP
local
ISP Zona-2
ISP
locad
ISP
local
ISP Zona-2
ISP Zona-1
clientes dos
ISPs de zonas
mais altas
conectando-os
ao resto da
Internet
ISP Zona-1
ISP Zona-1
ISP Zona-2
ISP
ISP
locad
local
NAP
ISP Zona-2
ISP
local
1 - 71
ISP Zona-2
ISP
local
1
• Um pacote passa através de muitas redes
ISP
local
ISP
Zona-3
ISP
local
ISP
local
ISP Zona-2
Tier-2 ISP
ISP Zona-1
ISP Zona-1
ISP Zona-2
ISP
ISP
local
local
ISP
local
NAP
ISP Zona-1
ISP Zona-2
ISP
local
1 - 72
ISP Zona-2
ISP
local
1
Backbone da RNP
• www.rnp.br
1 - 73
1
• 1.8 História
1 - 74
1
Como perdas e atrasos ocorrem?
Filas de pacotes em buffers de roteadores
• Forma-se quando a taxa média de chegada de pacotes na fila (em bps) se
aproxima da capacidade do enlace de saída (em bps)
• Fila de pacotes esperam por sua vez
pacote sendo transmitido (atraso)
A
B
enfileiramento de pacotes (atraso)
buffers livres (disponíveis): pacotes chegando
descartados (perda) se não houver buffers livres
1 - 75
1
Quatro fontes de atraso de pacotes
1. Processamento nos nós:
• Verifica erros de bit
• Determina enlace de saída
2. Enfileiramento
• Tempo de espera na fila do enlace de saída para transmissão
• Depende do nível de congestionamento do roteador
1 - 76
1
Atraso em redes de comutação de pacotes
3. Atraso de transmissão:
• R= taxa de transmissão (no livro largura de banda) do enlace (bps)
• L= tamanho do pacote (bits)
• Tempo para enviar bits ao link = L/R
4. Atraso de propagação:
• d = comprimento do link físico
• s = velocidade de propagação no meio (~2x108 m/s)
• Atraso de propagação = d/s => 5 µs/km em geral
Nota: “s” e “R” são medidas muito diferentes!
1 - 77
1
Atraso por nó
d no = d proc + d espera na fila + d trans + d prop
• dproc = atraso de processamento
• Tipicamente uns poucos microssegundos ou menos
• despera na fila = atraso de espera na fila
• Depende do congestionamento
• dtrans = atraso de transmissão
• = L/R, significante para enlaces de baixa velocidade
• dprop = atraso de propagação
• Uns poucos microssegundos a centenas de milissegundos
1 - 80
1
Atraso de filas (revisitado)
• R = largura de banda do link (bps)
• L = tamanho do pacote (bits)
• a = taxa média de chegada de pacotes (pacotes/s)
Intensidade de tráfego = La/R
• La/R ~ 0: atraso médio de fila pequeno
• La/R -> 1: atraso se torna grande
• La/R > 1: mais trabalho chega do que a capacidade de transmissão.
O atraso médio cresce indefinidamente!
1 - 81
1
Perfil do tamanho dos pacotes
pmf
• Pacotes pequenos
– Tamanhos de 64 a 150 bytes
– Média: 100 bytes
– Percentual: 50%
50%
40%
30%
• Pacotes Médios
– Percentual: 10%
• Pacotes Grandes
– Percentual: 40%
20%
10%
500
100
– Média E[L] = m = 700 bytes
– Segundo momento E[L2] = 930.000 bytes*bytes
– Vida residual: E[Lr] = E[L2]/(2E[L]) = 664 bytes
1 - 82
1000
1500
Distribuição do Tamanho
dos Pacotes
• Distribuição
µ
bytes
1
Volume do tráfego
• Em pacotes pequenos: 5% dos bits
• Em pacotes médios: 5% dos bits
• Em pacotes grandes: 90% dos bits
1 - 83
1
Modelando com FILA M/M/1
...
chegadas
fila de espera
servidor
• Usada na modelagem simples de enlace de dados
• Tempo entre chegadas de pacotes exponencialmente distribuído
–
Taxa média de chegada (pacotes/s) : λ
• Serviço (transmissão de um pacote) exponencialmente distribuído
C
–
Capacidade do enlace (bps):
–
Tamanho médio do pacote (bits):
–
Tempo médio de serviço (s):
E[L]
E[X] = E[L]/C
• Utilização ou intensidade de tráfego do servidor: ρ = λ E[X] (varia entre 0 e 1)
1 - 84
1
FILA M/M/1
E[W]
E[X]
...
chegadas
fila de espera
servidor
• Tempo médio gasto na fila de espera:
ρE [ X ]
1− ρ
E [T ] = E [W ] + E [ X ]
• Tempo médio gasto na fila:
• Número médio de pacotes na fila:
E [W ] =
1 - 85
E[ N ] = λE[T ] =
ρ
1− ρ
1
FILA M/G/1
...
chegadas
fila de espera
servidor
• Tempo médio gasto na fila de
espera:
• Tempo médio gasto na fila:
E [W ] =
ρE[ Xr ] ρE [ Lr ]
=
(1 − ρ ) (1 − ρ ) C
E [T ] = E [W ] + E [ X ]
ρ E [ Lr ] E [ L ]
1
=
+
= fator .
(1 − ρ ) C
C
C
• Número médio de pacotes na fila: E [ N ] = λ E [T ]
1 - 86
1
M/M/1 ou M/G/1
• Os tempos médios de espera em fila dependem da vida
residual do tamanho dos pacotes
• Mas como a vida residual e a média são próximas, ambos
modelos darão valores muito parecidos para grandezas
médias, que normalmente é o que interessa
• Se houver interesse na variância do tempo de espera, então
os modelos importam
1 - 87
1
Síntese de atraso em fila
• Usando 10 ms como valor empírico para o tempo máximo
gasto por hop, tempo gasto em fila é problemático em
enlaces de baixa velocidade e alta utilização
– Pacotes terão que ser segmentados e tráfego terá que ser priorizado
• Enlaces com velocidades acima de 2 Mbps não preocupam, a
menos que estejam saturados
1 - 88
1
Enlaces de baixa velocidade são críticos
E[W]M/G/1 (ms), E[L] = 700 bytes, E[Lr]=664 bytes
ρ
C (Mbps)
0,256
0,512
0,768
1
5
10
20
0,5
21
10
7
5
1
1
0
0,6
31
16
10
8
2
1
0
0,7
48
24
16
12
2
1
1
0,8
83
42
28
21
4
2
1
0,9
187
93
62
48
10
5
2
0,95
394
197
131
101
20
10
5
0,99
2054
1027
685
526
105
53
26
1 - 89
1
Atraso da voz por hop
Atraso Médio E[T]M/G/1 (ms), Voz = 300 bytes, E[ L] = 700 bytes
ρ
C (Mbps)
0,256
0,512
0,768
1
5
10
20
0,5
30
15
10
8
2
1
0
0,6
41
20
14
10
2
1
1
0,7
58
29
19
15
3
1
1
0,8
92
46
31
24
5
2
1
0,9
196
98
65
50
10
5
3
0,95
404
202
135
103
21
10
5
0,99
2064
1032
688
528
106
53
26
1 - 90
1
Convergência de rede
• Convergência para uma rede única com maior
tráfego e maior banda é melhor para usuário?
λ (pacotes/s)
A
C (bps)
dados
Internet
B
dados
+ VoIP
nλ
λ (pacotes/s)
1 - 91
nC (bps)
1
Convergência de rede
• B vai experimentar um acesso n vezes melhor!
• Sistemas grandes são mais eficientes!
λ (pacotes/s)
A
C (bps)
dados
Internet
1
E[T ] = fator.
C
B
dados
+ voip
nλ
λ (pacotes/s)
nC (bps)
Atraso na fila é n vezes menor
nesta situação!
1 - 92
1
Convergência
• Convergência não deve abranger apenas a questão física da
rede, mas incluir os recursos humanos, treinamento e
gerência operacional das aplicações
• Comportamentos terão que ser alterados
– PBXs atualizam software uma vez a cada dois anos ou menos,
enquanto equipamentos de dados emitem atualizações a cada
semestre ou menos
– Atualizações automáticas podem ser um risco imenso e simplesmente
não poderão ocorrer nos equipamentos de VoIP (missão crítica)
1 - 93
1
Sistemas grandes também para dados
λ
β
C (bps)
λ
β
C (bps)
λ+β
2C (bps)
Performance cresce
C (bps)
C (bps)
1 - 94
1
Atrasos e rotas da Internet “real”
• Como são os atrasos e perdas na Internet “real”?
Programa Traceroute: fornece medidas do atraso da fonte para o roteador
ao longo de caminhos fim-a-fim da Internet até o destino. Para todo i:
• Envia três pacotes que alcançarão o roteador i no caminho até o destino
• O roteador i retornará pacotes ao emissor
• O emissor cronometra o intervalo entre transmissão e resposta.
3 probes
3 probes
3 probes
1 - 95
1
Atrasos e rotas da Internet “real”
Traceroute: gaia.cs.umass.edu to www.eurecom.fr
Três medidas de atraso de
gaia.cs.umass.edu para cs-gw.cs.umass.edu
1 cs-gw (128.119.240.254) 1 ms 1 ms 2 ms
2 border1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu (128.119.3.145) 1 ms 1 ms 2 ms
3 cht-vbns.gw.umass.edu (128.119.3.130) 6 ms 5 ms 5 ms
4 jn1-at1-0-0-19.wor.vbns.net (204.147.132.129) 16 ms 11 ms 13 ms
5 jn1-so7-0-0-0.wae.vbns.net (204.147.136.136) 21 ms 18 ms 18 ms
6 abilene-vbns.abilene.ucaid.edu (198.32.11.9) 22 ms 18 ms 22 ms
7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu (198.32.8.46) 22 ms 22 ms 22 ms
link
8 62.40.103.253 (62.40.103.253) 104 ms 109 ms 106 ms
transoceânico
9 de2-1.de1.de.geant.net (62.40.96.129) 109 ms 102 ms 104 ms
10 de.fr1.fr.geant.net (62.40.96.50) 113 ms 121 ms 114 ms
11 renater-gw.fr1.fr.geant.net (62.40.103.54) 112 ms 114 ms 112 ms
12 nio-n2.cssi.renater.fr (193.51.206.13) 111 ms 114 ms 116 ms
13 nice.cssi.renater.fr (195.220.98.102) 123 ms 125 ms 124 ms
14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (195.220.98.110) 126 ms 126 ms 124 ms
15 eurecom-valbonne.r3t2.ft.net (193.48.50.54) 135 ms 128 ms 133 ms
16 194.214.211.25 (194.214.211.25) 126 ms 128 ms 126 ms
17 * * *
* sem resposta (perda de probe, roteador não responde)
18 * * *
19 fantasia.eurecom.fr (193.55.113.142) 132 ms 128 ms 136 ms
1 - 96
1 Traceroute
1 - 97
1
• 1.8 História
1 - 99
1
Camadas de protocolos
Redes são complexas
• Muitos componentes:
• Hospedeiros
• Roteadores
• Enlaces de vários tipos
• Aplicações
• Protocolos
• Hardware, software
QUESTÃO:
Há alguma esperança de organizar a arquitetura de uma rede?
Ou pelo menos nossa discussão sobre redes?
1 - 100
1
Por que as camadas de protocolos?
Convivendo com sistemas complexos:
• A estrutura explícita permite identificação, o relacionamento das partes
de um sistema complexo
• Um modelo de referência em camadas permite a discussão da
arquitetura
• Modularização facilita a manutenção, atualização do sistema
• As mudanças na implementação de uma camada são transparentes para
o resto do sistema
• Ex.: novas regras para embarque de passageiros não afetam os
procedimentos de decolagem
• A divisão em camadas é considerada perigosa?
1 - 103
1
Pilha de protocolos da Internet
• Aplicação: suporta as aplicações de rede
FTP, SMTP, HTTP
• Transporte: transferência de dados hospedeirohospedeiro
• TCP, UDP
• Rede: roteamento de datagramas da origem ao
destino
• IP, protocolos de roteamento
• Enlace: transferência de dados entre elementos
vizinhos da rede
• PPP, Ethernet
• Física: bits “nos fios dos canais”
1 - 104
1
Encapsulamento
1 - 105
1
• 1.8 História
1 - 106
1
História da Internet
1961-1972: primeiros princípios da comutação de pacotes
• 1961: Kleinrock - teoria das filas mostra a efetividade da comutação de pacotes
• 1964: Baran - comutação de pacotes em redes militares
• 1967: ARPAnet concebida pela Advanced Research Projects Agency
• 1969: primeiro nó da ARPAnet operacional
• 1972:
• ARPAnet é demonstrada publicamente
• NCP (Network Control Protocol) primeiro protocolo hospedeiro-hospedeiro
• Primeiro programa de e-mail
• ARPAnet cresce para 15 nós
1 - 107
1
1972-1980: Inter-redes, redes novas e proprietárias
• 1970: ALOHAnet rede via satélite no Havaí
• 1973: tese de PhD de Metcalfe propõe a rede Ethernet
• 1974: Cerf e Kahn - arquitetura para interconexão de redes
• Final dos anos 70: arquiteturas proprietárias: DECnet, SNA, XNA
• Final dos anos 70: comutação com pacotes de tamanho fixo (precursor do ATM )
• 1979: ARPAnet cresce para 200 nós
Princípios de interconexão de redes de Cerf e Kahn :
• Minimalismo, autonomia - não se exigem mudanças internas para interconexão
de redes
• Modelo de serviço: melhor esforço
• Roteadores “stateless”
• Controle descentralizado
Define a arquitetura da Internet de hoje
1 - 108
1
1990-2000: comercialização, a Web, novas aplicações
• Início dos anos 90: ARPAnet descomissionada
• 1991: NSF retira restrições sobre o uso comercial da NSFnet
(descomissionada em 1995)
• Início dos anos 90: WWW
• Hypertext [Bush 1945, Nelson 1960’s]
• HTML, HTTP: Berners-Lee
• 1994: Mosaic, depois Netscape
• Final dos anos 90: comercialização da Web
Final dos anos 90-2000:
• Mais aplicações “killer”: instant messaging, P2P file sharing
segurança de redes à dianteira
• Est. 50 milhões de hospedeiros, 100 milhões de usuários
• Enlaces de backbone operando a Gbps
1 - 109
1
Organizações Internacionais de Padronização
INFORMÁTICA
Internacional
ISO
Regional
Europa:
CEN
Nacional
EUA:
BRASIL:
ANSI X3
ABNT/CB21
1 - 110
JTC1
ELÉTRICA
TELECOM
IEC
ITU-T/ITU-R
CENELEC
ETSI
ANSI T1
Anatel
1
Onde os padrões são gerados
1 - 111
1
IEEE
Institute of Electrical and Electronic Engineers
Standards Board)
Technical Committee on
Computer Communication
(TCCC)
Project IEEE 802
Padronização em redes locais e metropolitanas
Technical Executive Committee
Working Groups
1 - 114
(IEEE
1
Padrões do IEEE
Camadas
Acima
Camada
de
Enlace
Camada
Física
IEEE 802.1
High Layer Interface Standard
IEEE 802.2
Logical Link Control Standard
CSMA/ CD
Media
Access
802.3
Lans sem Fio
(Wireless Lans)
Redes
Pessoais
(Bluetooth)
802.11
802.15
1 - 116
Rádio de banda larga
(Broadband radio)
802.16
1
Internet
Internet Society
Internet Architecture Board (IAB)
Internet Research Task Force (IRTF)
(pesquisa de longo prazo)
Internet Engineering Task Force (IETF)
(questões de engenharia de curto prazo)
Areas
Grupos de Trabalho
• Request for Comments (RFC)
• Internet Draft Standard
–
Requer implementação operacional
• Internet Standard
1 - 117
1
Forum de Empresas
• Geram recomendações visando interoperabilidade
• Exemplos
– ATM Forum (criado em outubro de 1991)
– Frame Relay Forum (1996)
– E muitos outros
1 - 118
1
Introdução: resumo
Cobriu uma “tonelada” de material!
• Internet overview
• O que é um protocolo?
• Borda da rede, núcleo, rede de accesso
• Comutação de pacotes versus comutação de circuitos
• Estrutura da Internet/ISP
• Desempenho: perda, atraso
• Camadas e modelos de serviços
• História
Você agora tem:
• Contexto, visão geral, sentimento das redes
• Mais profundidade e detalhes virão mais tarde no curso
1 - 119

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