Curso de Redes de Computadores - ACME! Cybersecurity Researchadriano/aulas/redes/2014/... · 2014-04-29 · UNESP - SJRP - Curso de Redes de Computadores Capítulo 1 Prof. Dr. Adriano

UNESP - SJRP - Curso de Redes de Computadores Capítulo 1

Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian 1

unesp - IBILCE - SJRP

Curso de Redes de Computadores

Adriano Mauro Cansian [email protected]

Capítulo 1 – Parte 1 Introdução e

Conceitos Fundamentais


Metas

q Veremos os contextos principais. •  Com uma visão geral e intuitiva de redes.

•  Detalhes serão vistos mais adiante.

q Abordagem:

•  Descritiva.

•  Internet será usada como exemplo.




Introdução Para onde estamos indo?


AGENDA:

Para onde a Internet está indo ? q De onde vim ? q Para onde vamos ? q Quais são os desenvolvimentos ? q Qual o impacto ?




A morte do computador


A morte do computador (1)

q  A era do computador acabou. q  Culpado: a única força tecnológica que poderia

superar o impacto do computador de gerar e criar informação:

A COMUNICAÇÃO





Comunicação: q Mais essencial do que a computação. q  Forma pela qual moldamos uma personalidade,

uma família, uma empresa, uma nação e um mundo.



q A era do computador acabou não fracassou. •  Ela deu origem a uma nova era.

q Ela gerou uma tecnologia que está transformando a cultura, a economia, a política e as nossas vidas de uma forma mais profunda.





q Vivemos numa economia da informação. q Grande frustração da era do computador: → dificuldade de transmitir a informação. q Tornou-se o recurso mais precioso.

Informação é PODER ... ...e informação que não pode ser transmitida

torna-se um entrave.


O esquife




O novo mundo


Informação IMÓVEL...

q  Instituições maiores e mais estáticas. q Economia menos flexível. q Empregos menos satisfatórios. q Vidas com menos oportunidades.




A Internet hoje


A Internet hoje

q A Internet é hoje uma coleção de “capacidades”.

q Resultado de uma agregação de um conjunto comum de “protocolos”. •  Regras, padrões, definições, acordos,...

q Sistemas que não se falavam antes, puderam se comunicar entre si.




Internet como plataforma de comunicação

Hoje confiamos cada vez mais na Internet,

para transportar nossa comunicação.


Lei de Metcalfe:

“O valor de uma rede aumenta proporcionalmente ao poder de

todas as máquinas a ela acopladas.”




Forças que movem a evolução

Deve ser considerado: q O que está acontecendo com o mercado.

q O que está acontecendo com a tecnologia.

q Quais são as forças culturais que regem a Internet.


Exigências do mercado (1)

q Ama-se a tecnologia, mas preocupa-se com o custo. •  Deve-se Compartilhar a tecnologia, tornando

seu uso tão eficiente quanto possível. •  O preço da tecnologia diminui, mas nunca é

barata. •  Quanto mais barata, mais são desenvolvidas

aplicações maravilhosas, que exigem ainda mais tecnologia.





q As pessoas passaram a acreditar que a Internet é real, e veio para ficar.

•  As pessoas esperam que as coisas funcionem. • Disponibilidade total;

• Segurança total;

• Confiabilidade total; e

•  Em “escala industrial”.



q Flexibilidade: Se toda a vez que você tiver uma uma tecnologia

ou uma nova aplicação, você tiver que redefinir e redesenhar seu sistema, está tudo acabado !

q As pessoas esperam que os sistemas possam acomodar novas capacidades.

q “Plug, integrate, & ...f* on business” !




Resumo das exigências do mercado

q Uso eficiente dos recursos de T.I. •  Equipamentos, armazenagem, aplicações, dados, . . .

q  Infra-estrutura em escala industrial. •  Disponibilidade contínua, segurança total, . . .

q Flexibilidade de integração. •  Aplicações, pessoas, tecnologia, . . .

q Liberdade de desenvolvimento. •  Distribuído, centralizado, terceirizado, . . .


Moore’s Law (1965)

q Descreve a predição de que o poder computacional dos processadores dobra a cada 18 meses.

q Significa um crescimento tecnológico de 50 a 60% da capacidade, a cada ano. •  Em 5 anos a tecnologia será 10 vezes melhor,

10 vezes mais rápida,10 vezes mais diferente, e 10 vezes mais valiosa.




A evolução das velocidades locais

q 2,9 Mbps, 10 Mbps, 20 Mbps, 100 Mbps q 1.000 Mbps (1 Gbps) q Os produtos de 10.000 Mbps estão

chegando ao mercado comum. q Em 15 anos → a velocidade das redes locais

passou de 2,9 Mbps para 1.000 Mbps.


Enquanto isso, na Internet... (1)

q Hoje é possível colocar 1.000 lambdas em uma única fibra ótica. •  10 Gbps em cada lambda (comprimento de

onda) •  Até 864 fibras num único cabo. •  864.000 lambdas x 10 Gbps = 8,6 petabits / seg •  8,6 x 1015 bps ou 8,6 quatrilhões de bits por

segundo. http://www.iscpc.org/

http://www1.alcatel-lucent.com/submarine/how/index.htm




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q 8 petabits / seg é 1.000 vezes a média total de tráfego de telecomunicações disponível em toda a infra-estrutura global de 1997.

q 8 petabits representava TODO o tráfego na Internet em 1995, num mês inteiro!

q Este tráfego pode ser transportado hoje num único cabo de fibra óptica.


38

( Cabo submarino )

q  Primeira mensagem enviada pelo Oceano Atlântico, em agosto de 1858.

q  Telegrama da Rainha Victoria (UK) para o Presidente Buchanan (USA).

q  Levou 7 horas e 40 minutos para ser enviado. Tinha 99 palavras, consistindo de 509 letras.

q  Este primeiro cabo submarino intercontinental não permitia transmitir mais que 6 palavras por hora, ou, uma palavra a cada 10 minutos !

q  http://atlantic-cable.com/Article/Origins/index.htm




38


q O tráfego total na Internet, e a largura de banda usada, dobra a cada 3 ou 4 meses !

q No ritmo presente de progresso a Internet algum dia executará gigabits isócronos (em tempo real). O impacto da mudanças excederá os sonhos da

maioria dos futuristas tecnológicos.


38


q Os mercados precisam aprender a se avaliar.

q As empresas enfrentam HOJE menos de 1% do volume de tráfego que podem esperar daqui há 5 anos.

q Obrigará a reordenação de todos os negócios.




38

Ao final desta gigantesca ascensão:

A economia da informação - das arquiteturas internas dos chips às topologias de rede - assumirá uma

forma inteiramente nova.


38

O novo mundo (1)

q Plataforma computacional virtual, com recursos globais ilimitados.

q Uma agregação de poder computacional •  Armazenamento, aplicações, memória, dados,

dispositivos de I/O, etc...

q  Internet como um computador virtual.




38

O novo mundo (2) q Vasta agregação de recursos é

claramente muito mais rica que qualquer capacidade que se encontre num computador isolado.


Visão geral – O que pretendemos:

q  O que que é a Internet. q  O que é um protocolo. q  A borda da rede. q  O núcleo da rede. q  Redes de acesso. q  Meios físicos. q  Desempenho.

•  Perdas e atraso.

q  Camadas de protocolo e modelos de serviço.

q  Backbones, PTTs, provedores.

q  Um pouco de história.

q  Resumo.




O que que é a Internet:

q  Milhões de computadores interligados:

q  Microcomputadores, estações, servidores, telefones, PDAs, tablets, games, GPS, robôs, geladeiras, terminais, etc... •  Rodando aplicações

de rede.

q  Enlaces (links) de comunicação. •  fibra, cobre, rádio, satélite.

q  Roteadores (routers): encaminham mensagens de dados pela rede.

1- “Players” 2 - Componentes


Cada vez mais dispositivos na ‘net’




Estrutura da Internet (1)


Estrutura da Internet (2)

Rede corporativa

roteador estação

servidor móvel

ISP Local Provedor de backbone




Os componentes da Internet

q  Protocolos: controlam envio, recepção de mensagens: •  TCP, IP, HTTP, FTP, SSH, etc... etc... •  Protocolo define uma “capacidade”.

q  Internet é a “rede de redes”. •  Aproximadamente hierárquica.

•  Internetworking: interconexão de redes.

q  Padrões Internet •  RFC: Request for comments. http://www.faqs.org •  IETF: Internet Engineering Task Force http://www.ietf.org


Os serviços na Internet

q  Infra-estrutura de comunicação: possibilita aplicações distribuídas: •  WWW, correio, jogos,

comércio eletrônico, P2P, bases de dados, eleições, etc...

q  Dois serviços de comunicação oferecidos: •  Sem conexão. •  Orientado a conexão.




A Internet e sua explosão para o mundo

q Internet dentro do mundo dos negócios:

World Wide Web

•  Foi adotado um conjunto de padrões relativamente simples.

•  Permitiu acessar a informação em qualquer lugar.


WWW (1)

q Hipertexto: “A mente humana (...) opera por associação. De

posse de um item, ela parte instantaneamente para outro que é sugerido pela associação de

pensamentos, de acordo com alguma teia intrincada de trilhas levadas pelas células do

cérebro.” 1945 - Vannevar Bush

RAND Co. (United States Armed Forces / Douglas Aircraft Company)




WWW (2)

q 1988 - Theodore Nelson (Xanadu Network) q 1992 / 1993

•  Marc Andreesen e Eric Bina (NCSA - Illinois) •  Tim Berners-Lee (CERN - Suíça)

q Acadêmica. q Idéia certa, feita pelos motivos errados:

•  A ligação de 200 cientistas a um pequeno número de supercomputadores.


A Internet chega ao mundo real




PROTOCOLOS


Afinal, o que que é um protocolo? Protocolos humanos: q  “-Que horas são?” q  “-Tenho uma dúvida”. q  Cumprimentos /

Apresentações.

… mensagens específicas enviadas.

… ações específicas adotadas ao receber mensagens.

Protocolos de rede: q  Máquinas ao invés de

gente. q  Toda comunicação na

Internet é governada por protocolos.

FORMALISMO: Protocolos definem o formato, a

ordem, e as ações adotadas ao enviar ou receber uma mensagem entre componentes da rede




O que que é um protocolo? Um protocolo humano e um protocolo de rede :

Oi!

Oi! Que horas

são? 2:00

TCP pedido de conexão. TCP resposta.

Get http://www.unesp.br/index.htm

<arquivo> Tempo


Detalhes sobre a estrutura da rede q Borda (edge) da rede:

aplicações e hosts.

q Núcleo (core) da rede: •  Roteadores. •  Rede de redes.

q Redes de acesso são formadas pelos meios físicos: enlaces (links) de comunicação.




A borda da rede: q Sistemas terminais:

•  Rodam aplicações •  Exemplo: WWW, correio

•  Na “borda da rede”.

q Modelo cliente/servidor •  Cliente solicita... •  ... e recebe serviço do servidor.

•  Exemplo: cliente WWW (browser) / servidor;

•  Cliente / servidor de e-mail. •  P2P. •  VoIP


Serviços com e sem conexão.

Borda da rede




Borda da rede: serviço orientado a conexão (1)

q Meta do serviço: •  transferência de dados entre sistemas.

q “handshaking”: •  preparação para iniciar transferência.

•  Protocolo humano: “Oi!” - “Oi!” •  Serve para criar “estado”

–  entre 2 sistemas que desejam se comunicar.

q TCP - Transmission Control Protocol •  É o serviço orientado a conexão da Internet.


Borda da rede: serviço orientado a conexão (2)

Características do Serviço TCP [RFC 793]: q Fluxo de bytes ordenado e confiável:

•  Quando há perdas: confirmações e retransmissões q Controle de fluxo:

•  Transmissor rápido não vai “afogar” um receptor. q Controle de congestionamento:

•  Transmissor reduz a taxa de envio quando rede fica congestionada.




Borda da rede: serviço sem conexão

Meta do serviço: transferência de dados entre sistemas Pergunta: Mas é a mesma meta que antes ?!?

q UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: Serviço sem conexão da Internet. •  Transferência de dados não confiável. •  Sem controle de fluxo. •  Sem controle de congestionamento.


Aplicações

Aplicações usando TCP: q HTTP (WWW), FTP (transferência de arquivo),

Telnet (acesso remoto), SMTP (correio), ssh,... Aplicações usando UDP: q Mídia com “streamming”, teleconferências,

telefonia pela Internet.




Núcleo (core) da Rede

q  Malha conexa de roteadores. q  A questão fundamental: como

se transfere dados através da rede? •  Comutação de circuitos:

circuito dedicado por chamada: rede de telefonia

•  Comutação de pacotes: dados enviados pela rede em quantias discretas (“pedaços”).


Comutação de CIRCUITOS




Núcleo da Rede: comutação de circuitos (1)

Recursos fim a fim reservados para a “chamada”.

q  Banda baseada na capacidade de comutação.

q  Recursos dedicados: não há compartilhamento.

q  Desempenho é garantido. q  Requer fase inicial (“setup”).



Recursos de rede dividido em “pedaços”. •  Por exemplo: Banda (bandwidth)

q Pedaços alocados para as chamadas. q Recurso fica ocioso se não é usado pela

chamada. q Não há compartilhamento.




Exemplo:

q Um circuito de 1 Mbps só pode acomodar 10 usuários que consomem 100 Kbps. •  Estejam eles transmitindo ou não.

q Digamos que os usuários só transmitam 10% do tempo: há muita ociosidade do canal. •  Será comparado mais adiante.



Divisão de banda em “pedaços”

q Divisão por freqüência (FDMA - Frequency Division Multiplexing Access)

q Divisão por tempo (TDMA - Time Division

Multiplexing Access)




Comutação de Circuitos: FDMA e TDMA

FDMA

Freqüência

tempo TDMA

Freqüência

tempo

4 usuários Exemplo:


Comutação de PACOTES




Núcleo da Rede: comutação de pacotes (1)

Cada fluxo de dados da origem ao destino é dividido em pacotes:

q  Pacotes compartilham recursos.

q  Cada pacote usa a banda inteira do enlace. •  Veremos exemplo mais adiante.

q Recursos usados sob demanda.

Divisão de banda Alocação dedicada

Reserva de recursos



Contenção de recursos: q Demanda agregada pode exceder os recursos

disponíveis. q Congestionamento:

•  Fila de pacotes em espera para uso do enlace.

q Armazena e re-encaminha (forward): 1.  Pacotes passam por um enlace a cada vez.

2. Transmite através do enlace. 3. Aguarda vez para o próximo.





Exemplo de Comutação de pacotes: “armazena e re-encaminha”

(store-and-forward)

q  Cada link 1,5 Mbps q  7,5 Mbits = 5000 pacotes de 1,5 Kbits

Coisas acontecem ao mesmo tempo:

1o. Pacote leva 1 ms até router 1 1o. Pacote leva 2 ms até router 2

Mas pacote 2 já começa a vir para router 1 = 1 ms

1o. Pacote chega ao destino em 3ms

enquanto isso o pacote 2 chega no router 2 em 2 ms

etc…

Tempo total para os 5000 pacotes é de 5,002 seg.



q  Cada link 1,5 Mbps q  Total de 7,5 Mbits para transmitir = 5000 pacotes de 1,5 Kbits Coisas acontecem ao mesmo tempo: 1º. Pacote leva 1 ms até router 1 1º. Pacote leva 2 ms até router 2 q  Mas pacote 2º. já começa a vir para router 1 = 1 ms. q  1o. Pacote chega ao destino em 3ms. q  Enquanto isso o pacote 2 chega no router 2 em 2 ms. etc… Tempo total para os 5000 pacotes é de 5,002 seg.




Comutação de pacotes X comutação de circuitos (1)

q  Enlace de 1 Mbps. q  Suponha que cada

usuário: •  100 Kbps quando “ativo” •  Ativo 10% do tempo

q  Comutação de circuitos: •  Comporta só 10 usuários. •  Tem que reservar a banda toda.

Comutação de pacotes permite admitir mais usuários!

N usuários

enlace de 1 Mbps



q  Enlace de 1 Mbps. q  Cada usuário:

•  100 Kbps quando “ativo” •  Ativo 10% do tempo

q  Comutação de pacotes: •  Probabilidade de haver um usuário

específico ativo é 0,1 (ou seja, 10%). •  Se houver 35 usuários: a

probabilidade de haver mais de 11 ou mais usuários ativos simultâneos é menor que 0,0004 (Exercício)

Comutação de pacotes permite admitir mais usuários!

N usuários

enlace de 1 Mbps





q Usuário quando ativo gera dados a 100 Kbps. •  Prob. de MAIS de 10 usuários ativos é 0.0004 •  Prob. 10 ou MENOS usuários ativos é 0.9996

q Moral da estória: •  numa rede de packet switching de 1 Mbps

existe probabilidade P = 0.9996 dos 35 usuários terem disponível a mesma banda que existiria em uma rede circuit switching de 1 Mbps com 10 usuários.

•  Suporta 3 vezes mais usuários que circuit switch.



q  Vantagens: •  Ótimo para dados em rajadas. •  Compartilha recursos. •  Não requer inicialização do circuito (setup).

q  Problemas: •  Se há congestionamento excessivo: ocorrem retardo e perdas.

•  Mas, há protocolos para transferência confiável de dados e controle de congestionamento.

•  Como prover (simular) comportamento de circuitos? •  Como oferecer garantias de banda necessárias para

aplicações de áudio/vídeo.

Comutação de pacotes será sempre o melhor?




Redes de pacotes e roteamento q  Meta: mover pacotes entre roteadores da origem ao

destino. •  Serão estudados algoritmos de seleção de rota (Cap. 4)

q  Rede de datagramas: •  endereço de destino determina próximo passo. •  rotas podem mudar durante uma sessão. •  analogia: dirigindo, perguntando o caminho.

q  Rede de circuitos virtuais: •  Cada pacote carrega rótulo (ID de circuito virtual), rótulo

determina próximo passo. •  Rota fixa determinada em tempo de estabelecimento da

chamada, permanece fixa durante a chamada. •  Roteadores mantêm estado por chamada.


Redes de acesso e meio físico




Redes de acesso e meios físicos q  Como ligar sistemas

terminais ao 1º. roteador? •  Redes de acesso residencial. •  Redes de acesso institucional

(escola, empresa, etc...). •  Redes de acesso móvel.

Características principais: •  Qual a Banda (bits per second) da

rede de acesso? •  É Compartilhada ou dedicada?


Meios físicos: cabo coaxial, fibra Cabo coaxial: q  Fio (portador do sinal)

dentro de um fio (blindagem) •  Banda básica: canal único

no cabo. •  Banda larga: múltiplos

canais no cabo.

q  Bidirecional. q  Uso era comum em

Ethernet de 10Mbps

Cabo de fibra ótica: q  Fibra de vidro iluminada

por pulsos de luz q  Operação de alta

velocidade: •  Ethernet de 100Mbps •  Transmissão de alta

velocidade ponto a ponto (p.ex., 10 Gbps)

q  Baixa taxa de erros. q  2 tipos de fibra:

monomodo, multimodo.




Cabo fibra ótica e coaxial


Meios físicos

q  Enlace físico: Bit de dados transmitido propaga através do enlace.

q  Meio guiado: •  Sinais propagam em meios

sólidos: cobre, fibra.

q  Meios não guiados: •  Sinais propagam

livremente, p.ex., rádio

Par trançado (Twisted Pair - TP) q  Dois fios isolados de

cobre. •  Categoria 3: fio telefônico

tradicional, ethernet de 10 Mbps

•  Categoria 5: ethernet de 100Mbps




Meios físicos: rádio (1)

q Sinal enviado pelo espectro eletromagnético. q Sem “fio” físico. q Bidirecional. q Efeitos sobre propagação do ambiente:

•  Reflexão. •  Obstrução por objetos. •  Interferência.


Meios físicos: rádio (2) Tipos de enlace de rádio: q  Microondas

•  p.ex. canais até 155 Mbps q  Rede local (p.ex.802.11B, G e N)

•  11Mbps, 54Mbps, 300 Mbps q  Longa distância (p.ex., celular)

•  p.ex. CDPD, 10’s Kbps ou 3G em alta velocidade. q  Satélite

•  Canais de até 50Mbps (ou múltiplos canais menores) •  Retardo ponto a ponto de 270 ms. •  Geosíncrono X LEOS (Low Earth Orbit Satellite)




Meios físicos: rádio (3)

http://www.turnpoint.net/wireless/cantennahowto.html


Acesso residencial: acesso ponto a ponto q  Discado via modem (dial-up)

•  até 56Kbps, acesso “direto” ao roteador.

q  ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line •  Até 34 Mbps do roteador a casa. •  Até 4 Mbps de casa ao roteador. •  Disponibilidade de ADSL :

Telefônica, Oi, etc...

Canal Voice: de 0 a 4 KHz Canal Upload: 4KHz a 50 KHz Canal Download: 50 KHz e 1 MHz




Acesso residencial: cable modems

q  HFC: hybrid fiber coax (Cable) •  assimétrico: até 30Mbps download e 2 Mbps para upload.

q  Rede de cabo e fibra liga a casa ao roteador do provedor. •  Acesso compartilhado ao roteador pelas casas. •  Problemas: dimensionamento, congestionamento. •  Disponibilidade: via companhias de TV a cabo.


Cable Modem Network (HFC)




Acesso institucional: redes locais

q  Rede local (LAN) liga sistema terminal ao 1º. roteador.

q  Ethernet: cabo compartilhado ou dedicado usado para acesso ao roteador: 100 Mbps, 1 Gbps

q  Disponibilidade: Corporações e instituições, redes domésticas ...

q  LANs - Redes locais.


Atrasos / Delays

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