Introdução Redes Telecom - dcc.fc.up.ptpbrandao/aulas/0910/TeleMed/slides/Redes... · Introdução às Redes de Telecomunicação 1 Redes Telecomunicação Introdução Telemedicina

Telemedicina e e-Saúde 2009/2010

Introdução às Redes de Telecomunicação 1

Redes Telecomunicação Introdução

Telemedicina e e-Saúde

2009/10

Pedro Brandão

Referências

Estes slides são baseados nos slides de TeleMedicina e e-Saúde 08/09 do Prof. Rui Prior

Por sua vez ele baseou-se nos slides fornecidos com o livro “ComputerNetworking: A Top Down Approach 4th edition. Jim Kurose, Keith RossAddison-Wesley, April 2007”

Telemed 09/10 - Intro Redes Com - pbrandao 2



DIGITAL, ANALÓGICO

Telemed 09/10 - Intro Redes Com - pbrandao

Analógico Digital


Amostragem

Quantificação das amostras

Imagens da Wikipedia

4



Algumas palavras sobre compressão audio Amostragem do sinal audio

a uma taxa fixao telefone: 8,000 amostras/seg

o CD: 44,100 amostras/seg

Cada amostra quantificada, arredondada:o Ex.:, 28=256 valores possíveis

Cada nível/valor representado por bitso 8 bits para 256 valores

exemplo: 8,000 amostras/seg, 256 valores 64,000 bps

Receptor reconverte para analógico:o Alguma perda de qualidade

Taxas exemplo

CD: 1.411 Mbps

MP3: 96, 128, 160 kbps

Internet telephony: 5.3 kbps ou mais

5Telemed 09/10 - Intro Redes Com - pbrandao

Algumas palavras sobre compressão vídeo vídeo: sequência de

imagens a uma taxa constanteo e.g. 24 imagens/seg

Imagem digital: array de pixéiso Cada pixel representado por

bits

redundânciao Espacial (na imagem)

o temporal (de uma imagem para a seguinte)

Exemplos:

MPEG 1 (CD-ROM) 1.5 Mbps

MPEG2 (DVD) 3-6 Mbps

MPEG4 (often used inInternet, < 1 Mbps)

Investigação:

Por camadas (“escalável”) vídeoo Adaptar as camadas à largura

de banda disponível




INTRO


Introdução

Objectivos: ganhar sensibilidade e

conhecer a terminologia

aprofundamento e detalhes mais tarde

abordagem:

o uso da Internet como exemplo

Tópicos: o que é a Internet? o que é um protocolo? extremidade da rede:

terminais, rede de acesso, meio físico

núcleo da rede: comutação de pacotes/circuitos, estrutura da Internet

desempenho: perdas, atrasos, débito

camadas protocolares, modelos de serviço




Sumário

1.1 O que é a Internet?

1.2 Extremidade da rede (edge)

terminais, redes de acesso, ligações

1.3 Núcleo da rede (core)

comutação de circuitos, comutação de pacotes estrutura da rede

1.4 Atrasos, perdas e débito em redes de comutação de pacotes

1.5 Camadas protocolares, modelos de serviço


O que é a Internet: debaixo do capô


milhões de dispositivos ligados: terminais (hosts)

o a correr aplicações em rede

Rede doméstica

Rede institucional

Rede móvel

ISP global

ISP regional

router

PC

servidor

portátilwireless

telemóvel

ligaçõescabladas

pontos deacesso

ligações (links)

fibra, cobre, rádio, satélite

taxa de transmissão (capacidade)

routers: reenvio de pacotes (“pedaços” de dados)

10





Algum equipamento de rede

Concentrador (hub)(em desuso)

Comutadores LAN(switches) Ponto de acesso

Router

Router11



Algum equipamento de rede

Firewall

Servidor modular degrande capacidade

Servidor

12





Aspecto dum data center

13


os protocolos controlam o envio e a recepção de mensagenso e.g., TCP, IP, HTTP, Skype,

Ethernet

Internet: “rede de redes”o vagamente hierárquica

o Internet pública vs. intranets privadas

Normas da Interneto RFC: Request for Comments

o IETF: Internet EngineeringTask Force


Rede doméstica

Rede institucional

Rede móvel

ISP global

ISP regional

14



O que é a Internet: perspectiva de serviços

a infra-estrutura de comunicação possibilita aplicações distribuídas:

o Web, VoIP, email, jogos, e-comércio, partilha de ficheiros, telemedicina

serviços de comunicação de dados às aplicações:

o entrega fiável de dados da origem ao destino

o entrega de dados não-fiável (best effort)


Rede doméstica

Rede institucional

Rede móvel

ISP global

ISP regional

15

O que é um protocolo?

protocolos humanos:

“que horas são?”

“tenho uma questão”

apresentações

… são enviadas mensagens específicas

… são efectuadas acções específicas na recepção de mensagens ou em resposta a outros eventos

protocolos de rede:

máquinas em vez de pessoas

toda a comunicação na Internet está condicionada por protocolos


os protocolos definem o formato das mensagens, a ordem de envio e

recepção das mensagens entre as diferentes entidades da rede e as

acções a efectuar na transmissão ou recepção de mensagens

16



O que é um protocolo?


um protocolo humano e outro de redes de computadores:

Olá

Olá

Tenshoras?

São 2:00

Pedido deligação TCP

GET http://www.awl.com/kurose-ross

<ficheiro>

tempo

Resposta deligação TCP

17

Sumário











Uma visão mais próxima da estrutura da rede:

extremidade da rede:terminais e aplicações

redes de acesso, meio físico: ligações cabladase sem fios (wireless)

núcleo da rede:

routers interligados

rede de redes


Extremidade da rede:

terminais:o correm aplicações (programas)o e.g. Web, email

modelo cliente/servidor: terminal cliente faz pedidos e

recebe serviços de um servidor sempre ligado

ex.: browser/servidor web; cliente/servidor de email

modelo peer-to-peer(p2p): uso mínimo ou ausência total

de servidores dedicados Ex.: Skype, eMule, BitTorrent


p2pc/s

20



Redes de acesso e meio físico

P: Como ligar os terminais ao router na extremidade?

redes de acesso residenciais redes de acesso

institucionais (escola, empresa)

redes de acesso móveis

Atenção: capacidade (bits por

segundo) da rede de acesso?

partilhada ou dedicada?


Acesso residencial: ponto-a-ponto

Ligação por modemo acesso directo ao router até

56kbps (normalmente menos)

o não permite navegar e telefonar ao mesmo tempo: não pode ser “always on”

DSL: Digital Subscriber Lineo fornecido pelo operador telefónico (geralmente)

o até 1 Mbps na transmissão (geralmente ≤ 512 kbps)

o até 24 Mbps na recepção (geralmente ≤ 6 Mbps)

o linha física dedicada até à central telefónica




Acesso residencial: cabo

HFC: hybrid fiber coaxial

o ligação assimétrica: até 30Mbps na recepção e 2Mbps na transmissão

o rede de cabo coaxial e fibra liga clientes ao router do ISP

o acesso partilhado até ao router

o normalmente fornecido pelas companhias de TV por cabo


Acesso residencial: cabo


Canais

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

FDM:

cliente

central

rede de distribuição

por cabo (simplificada)



Acesso residencial: fibra óptica

Activas (AON) ou passivas (PON)

Oferta comercial desde dezenas de Mbps até 1Gbps


Fonte: Imagens da Wikipedia

Acesso empresarial: redes locais (LANs) a rede local (LAN) da

empresa ou universidade liga os terminais ao router

Ex.: Ethernet: o 10 Mbs, 100Mbps,

1Gbps, 10Gbps

o configuração moderna: terminais ligam-se ao switch Ethernet




Redes de acesso sem fios (wireless)

rede de acesso wireless partilhada liga os terminais ao routero através da estação base (ponto de acesso)

LANs sem fios:o 802.11b/g (WiFi): 11 ou 54Mbps

o 802.11n: até 600Mbps

redes de acesso WAN sem fioso operadores de telecomunicações

o ~1Mbps nas redes 3G (EVDO, HSDPA)

o brevemente: WiMAX (dezenas de Mbps) numa área mais alargada


Redes domésticas

Componentes típicos de uma rede doméstica:

modem ADSL ou por cabo

router/firewall/NAT

rede Ethernet

ponto de acesso wireless


modemde/paraa central

router/firewall

Ethernet

ponto deacesso

wireless

portáteiswireless

28



Meio Físico

Bit: propaga-se entre pares emissor/receptor

ligação física: o que está entre o emissor e o receptor

meio guiado:o sinal propaga-se num meio

sólido: par de cobre, fibra óptica, cabo coaxial

meio não guiado :o sinal propaga-se livremente

(e.g., ondas rádio)

Par entrançado

dois fios de cobre isoladoso Categoria 3: linhas telefónicas

tradicionais, Ethernet a 10 Mbps

o Categoria 5: Ethernet a 100Mbps


Meio Físico: cabo coaxial, fibra óptica

Cabo coaxial: dois condutores de cobre

concêntricos

bidireccional

banda-base:o um único canal no cabo

o Ethernet antiga

banda larga:o múltiplos canais no cabo

o HFC

Cabo de fibra óptica:

fibra de vidro transporta impulsos de luz, um por bit

opera a alta velocidade: transmissão ponto-a-ponto de alta

velocidade (e.g., 10’s-100’s Gps)

baixa taxa de erros: repetidores muito espaçados; imune a ruído electromagnético




Meio Físico: rádio

sinal transportado no espectro electromagnético

sem fios

bidireccional

efeitos da propagação no meio ambiente:o reflexões

o obstrução por objectos

o interferência

taxa de erros elevada

Tipos de ligação rádio:

microondas terrestres canais até 45Mbps

LAN (e.g., Wifi) 11Mbps, 54Mbps, até 600Mbps

wide-area (e.g., rede móvel) rede 3G: ~ 1 Mbps

satélite canal entre alguns kbps e 45Mbps

(ou múltiplos de menor capacidade)

270ms de atraso extremo-a-extremo

geosíncrono ou de baixa altitude


Sumário











O Núcleo da Rede

rede emalhada de routers interligados

transferência de dados através da rede:o comutação de circuitos:

um circuito dedicado por chamada: rede telefónica

o comutação de pacotes: dados enviados através da rede partidos em “pedaços”



Núcleo da Rede: Comutação de Circuitos

Caminho reservado entre dois terminaiso Sequência de ligações pré-

estabelecida entre vários nós (e.g., rede telefónica)

A comunicação envolve três fases distintaso Estabelecimento do circuito.

o Transferência de dados.

o Desconexão do circuito.

34



Núcleo da Rede: Comutação de Circuitos

Desenvolvidos para a transmissão de voz

“Inteligência” da comu-nicação reside na rede

Recursos dedicados para cada chamadao Não há partilha (desperdí-cio

de capacidade)

o Desempenho garantido

Boas taxas de utilização para vozo Alguém fala durante a maior

parte do tempo…

Para dados Linha inactiva durante a

maior parte do tempo Capacidade de

transmissão de dados constante

Divisão da capacidade em parcelas No domínio dos tempos

(TDM) No domínio das

frequências (FDM)



Comutação de Circuitos : FDM e TDM

FDM

frequência

tempo

TDM

frequência

tempo

4 utilizadores

Exemplo:

36



Exemplo numérico

Quanto demora a enviar um ficheiro de 640000 bits do terminal A para o terminal B numa rede de comutação de circuitos?o Todas as ligações são de 1,536 Mbps

o Cada ligação usa TDM com 24 slots/s

o 500 ms para estabelecer o circuito extremo-a-extremo


10s + 500ms = 10,5s* Na prática, há que somar a este atraso o tempo de propagação

37

kbpsMbps

6424

1536 s

kbps

bits10

64

640000

Núcleo da Rede: Comutação de Pacotes


Dados da aplicação

Dados da aplicação

Rede de comuta-ção de pacotes

Pacote = pedaço de dados + informação de controlo (cabeçalho)

38




ideia: dividir o fluxo de dados extremo-a-extremo em pequenos pedaços (pacotes)

pacotes de diferentes utilizadores partilham os recursos de rede

cada pacote usa a capacidade total da ligação

recursos usados conforme a necessidade

contenção no acesso aos recursos:

a procura de recursos não pode exceder a oferta disponível

congestionamento: pacotes colocados em filas à espera de poder usar a ligação

store and forward: os pacotes são transferidos salto-a-salto Cada nó recebe o pacote completo

antes de o reenviar


Divisão fixa da capacidade da rede

Afectação de recursos a fluxos

Reserva de recursos

39


Cada Pacote é tratado de forma inde-pendente:

Não existe relação com os pacotes que o precedem

Cada nó escolhe para cada pacote o próximo salto

Pacotes para o mesmo destino não seguem necessariamente a mesma rota (embora normalmente sigam)

Podem chegar fora de ordem A máquina de destino repõe a ordem original

Podem perder-se ou danificarem-se pacotes em trânsito

As máquinas de origem e de destino encorregam-se de detectar e corrigir estas situações





Comutação de Pacotes: Multiplexagem Estatística

A sequência de pacotes de A e B não tem um padrão fixo, a capacidade é distribuída consoante a necessidade no momento multiplexagem estatística.

Por comparação, no TDM cada emissor usa sempre a mesma fatia da trama, e a sequência de fatias repete-se consecutivamente

A

B

CEthernet100 Mb/s

1.5 Mb/s

D E

multiplexagem estatística

fila de pacotesà espera de poder

ser enviados

41


Comutação de Pacotes: store-and-forward

um pacote de L bits demora L/R segundos a ser transmitido (inserido) numa ligação de R bps

store and forward: cada pacote tem de ser recebido na sua totalidade pelo router antes que este o possa transmitir na ligação seguinte

atraso = 3L/R (assumindo atraso de propagação nulo)

Exemplo:

L = 7.5 Mbits

R = 1.5 Mbps

atraso de transmissão = 15 sec

R R R

L

42




Comutação de pacotes vs. comutação de circuitos

ligação de 1 Mb/s

cada utilizador: o 100 kb/s quando “activo”

o activo 10% do tempo

comutação de circuitos:o 10 utilizadores

comutação de pacotes:o com 35 utilizadores, a

probabilidade de ter > 10 activos em simultâneo é < 0.0004

A comutação de pacotes permite ter mais utilizadores na rede!

N utilizadores

1 Mbps

43

Pacotes vs. Circuitos

óptima para dados em rajadas (bursty)

o partilha de recursos

o simples, sem estabelecimento prévio de chamada

congestionamento: atrasos e perdas de pacotes

o são necessários protocolos para conseguir transmissão de dados fiável e controlar o congestionamento


Será a comutação de pacotes uma panaceia?

P: Como obter desempenho semelhante aos circuitos?

• garantias de capacidade para fluxos audio/vídeo• problema ainda por resolver…



Internet: uma rede de redes

A Internet é constituída por

Backbones: infraestruturas de interligação de redes, como o NSFNET, nos EUA, GÉANT na Europa, bem como backbonesde operadores comerciais como a PT

Redes regionais, ligando, por exemplo universidades e institutos de investigação, e.g., FCCN

Redes comerciais, por exemplo, para uso interno ou para fornecimento de serviços a assinantes, com ligações à Internet, e.g., PT, CLIX, NETCABO…

Redes locais


RCTS (Rede Ciência, Tecnologia e Sociedade)

Rede de investigação e ensino nacional

Plataforma de comunicação para que investigadores, professores e alunos portugueses tenham acesso a uma rede capaz de fazer face às exigentes necessidades desta comunidade




GÉANT

Rede pan-Europeia de investigação e educação

Interliga a RCTS e as congéneres de 30 países europeus

Núcleo a 10Gbps, ligações a partir de 155Mbps


Internet: uma rede de redes

Um fluxo de pacotes atravessa muitas redes


Rede doméstica

Rede institucional

Rede móvel

ISP global

ISP regional

48




Sumário








49


Como ocorrem os atrasos e perdas?

os pacotes são colocados em filas de espera nos routers

taxa de chegada de pacotes à ligação de saída excede a sua capacidade

os pacotes ficam na fila, à espera da sua vez

A

B

pacote a ser transmitido (atraso)

pacotes na fila de espera (atraso)

espaço livre na fila: se não existir espaço livrequando chega um pacote, ele é eliminado (perdas)

50



Quatro Fontes de Atraso

1. Processamento nos nós:

o verificação de erros

o determinação da ligação saída

2. Filas de espera

o tempo de espera pela transmissão na ligação de saída

o depende do nível de congestionamento do router


A

B

processamentonos nós filas de espera

Quatro Fontes de Atraso

3. Atraso de transmissão:

R= capacidade da ligação (bps)

L= comprimento do pacote (bits)

tempo para colocar os bits no link = L/R

4. atraso de propagação:

d = comprimento do meio físico (distância)

s = velocidade de propagação no meio (~2x108 m/s)

atraso de propagação = d/s


A

B

Nota: s e R são coisas muito diferentes!

propagação

transmissão

Exemplo

http://media.pearsoncmg.com/aw/aw_kurose_network_2/applets/transmission/delay.html




Atraso nos nós

dproc = atraso de processamento

o tipicamente alguns microssegundos (ou menos)

dfila = atraso na fila de espera

o depende do congestionamento

dtrans = atraso de transmissão

o = L/R, significativo em ligações de baixa capacidade

dprop = atraso de propagação

o desde alguns microssegundos a centenas de milissegundos

proptransfilaprocnó ddddd

53


Mais sobre o atraso na fila de espera

R=capacidade da ligação (bps)

L=comprimento do pacote (bits)

a=taxa média de chegada de pacotes

intensidade de tráfego = L x a/R

(tráfego oferecido)

La/R ~ 0: tempo médio de espera pequeno

La/R 1: o tempo de espera aumenta muito

La/R > 1: mais “trabalho” a chegar do que se consegue despachar tempo médio de espera infinito *!

54



Perdas de pacotes

fila de espera tem capacidade finita

um pacote que chegue e encontre a fila cheia é eliminado (perde-se)

um pacote perdido pode ser retransmitido pelo nó anterior ou pelo nó de origem, ou não ser retransmitido


A

B

pacote a transmitir

um pacote que encontra afila cheia vai perder-se

fila deespera

55


Débito

débito: taxa (bits/unidade de tempo) à qual os bits são transferidos entre o emissor e o receptor

o instantâneo: débito num instante específico

omédio: débito ao longo de períodos de tempo mais alargados

capacidade da ligaçãoRs bits/s

capacidade da ligaçãoRc bits/s

“tubo” capaz de transportar fluido com débito Rc (bits/s)

servidor com ficheiro de F bits a enviar ao

cliente

servidor envia bits (fluido) através do

“tubo”

“tubo” capaz de transportar fluido com

débito Rs (bits/s)56




DébitoRs < Rc Qual é o débito médio?

Rs bits/s Rc bits/s

Rs > Rc Qual é o débito médio?

Rs bits/s Rc bits/s

ligação ao longo do caminho que limita o débito do fluxo

ligação de estrangulamento

57


Débito: um cenário na Internet

10 conexões partilham (de forma justa) a capacidade da ligação de backbone, R

bits/s

Rs

Rs

Rs

Rc

Rc

Rc

R

P: débito por conexão?

omin(Rc,Rs,R/10)

na prática: Rc ou Rs são frequente/ as ligações de estrangulamento

58




Sumário








59

Camadas Protocolares

As redes são complexas!

muitas “peças”:

o terminais

o routers

o ligações de diferentes tipos

o aplicações

o protocolos

o hardware, software




Envio de Correspondência

Cada camada usa a anterior acrescentando algo:

o Precisão endereço

o Serviços extras (fiável, aviso de recepção)Telemed 09/10 - Intro Redes Com - pbrandao 61

Registo

Rua, Número

Código Postal

Aviso Recepção

Rua, Número

Código Postal Código Postal

Registo

Rua, Número

Código Postal

Aviso Recepção

Dist. Regional Dist. Local

Porquê estruturar em camadas?

Lidar com sistemas complexos:

Uma estrutura explícita permite a identificação e o relacionamento de diferentes peças do sistema

omodelo de referência para discussão

A modularização facilita a manutenção e actualização do sistema

o Alterações na implementação de uma camada são transparentes para o resto do sistema





Pilha protocolar da Internet aplicação: aplicações em rede

o FTP, SMTP, HTTP

transporte: transferência de dados entre processoso TCP, UDP

rede: encaminhamento dos data-gramasentre a origem e o destinoo IP, protocolos de encaminhamento

ligação lógica: transferência de dados entre elementos de rede adjacenteso PPP, Ethernet

ligação física: bits no “cabo”

Física

Lógica

Rede

Transporte

Aplicação

63

Sessão


Modelo de referência ISO/OSI apresentação: permite às aplicações

interpretar o significado dos dados, e.g., compressão, cifragem, convenções específicas da máquina

sessão: autenticação, sincronização, checkpointing, recuperação de sessões

a pilha da Internet não tem estas duas camadas!

o estes serviços, se necessários, têm de ser implementados na camada de aplicação

Física

Lógica

Rede

Transporte

Aplicação

Apresentação

64




origem

aplicação

transporte

rede

lig. lógica

lig. física

CtCn M

segmento

datagrama

destino

CtCnCl M

CtCn M

Ct M

M

network

link

physical

link

physical

CtCnCl M

CtCn M

CtCn M

CtCnCl M

router

switch

Encapsulamentomessagem M

CtCt M

Cn

trama

aplicação

transporte

rede

lig. lógica

lig. física

65

FIM DA INTRODUÇÃO ÀSREDES DE COMUNICAÇÃO DE DADOS


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