Infra-Estrutura de Comunicação (IF678)pasg/if678/modulo-1.pdf · 2013. 1. 18. · Comutação de...
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Introdução 1-1
Infra-Estrutura de Comunicação (IF678)
Módulo I
Fonte: kurose Adaptações : Prof. Paulo Gonçalves
[email protected] CIn/UFPE
Introdução 1-2
Introdução
Nosso Objetivo: terminologia Detalhamentos
durante o curso abordagem:
Uso da Internet como exemplo
Agenda: O que é a Internet O que é um protocolo? Extremidade da rede Núcleo da rede Rede de acesso, meio físico Internet/estrutura de um ISP desempenho: perda, atraso Camadas de protocolo, modelos
de serviço Modelagem de redes
Introdução 1-3
Agenda
1.1 O que é a Internet?
1.2 Extremidade da rede
1.3 Núcleo da rede
1.4 Rede de acesso e meio físico
1.5 Estrutura da Internet e ISPs
1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes
1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço
1.8 História
Introdução 1-4
O que é a Internet: infra-estrutura Milhões de dispositivos
computacionais conectados: hosts = end systems = extremidade
execuçao de aplicações de rede
enlaces de comunicação fibra, cobre, rádio, satélite Taxa de transmissão =
banda passante
roteadores: encaminhamento de pacotes (pedaços de dados)
ISP local
Rede de uma empresa
ISP regional
roteador workstation
servidor mobile
Introdução 1-5
Dispositivos internet interessantes
Menor servidor web do mundo
http://www-ccs.cs.umass.edu/~shri/iPic.html
Quadro de fotografias IP
http://www.ceiva.com/
Torradeira com acesso WEB +
Previsão do tempo
Telefones Internet
Introdução 1-6
O que é a Internet: infra-estrutura
protocolos – controle de envio, recebimento de msgs e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP
Internet: “rede das redes” Fracamanente hierárquica
Internet pública versus intranet privada
Padrões Internet RFC: Request for comments
IETF: Internet Engineering Task Force
ISP local
Rede de uma empresa
ISP regional
roteador workstation
servidor mobile
Introdução 1-7
O que é a Internet: ponto-de-vista de serviço A infra-estrutura de
comunicação permite “rodar” aplicações distribuídas: Web, email, jogos, e-
commerce, compartilhamento de arquivos
Serviços de comunicação proporcionados às aplicações: Sem conexão e não confiável
Orientado à conexão confiável
Introdução 1-8
O que é um protocolo? Protocolos humanos:
“que horas são?”
“Tenho uma pergunta”
Se apresentar
… msgs específicas enviadas
… ações específicas tomadas quando msgs são recebidas ou outros eventos ocorrem
Protocolos de rede:
Máquinas ao invés de humanos
Toda atividade de comunicação na Internet é governada por protocolos
protocolos definem o formato, a ordem das
msgs enviadas e recebidas entre entidades de rede e
ações tomadas sobre transmissão e recepção
de msgs
Introdução 1-9
O que é um protocolo? Um protocolo humano e um protocolo de redes de computadores:
Q: Outros protocolos humanos?
Olá
Olá
Que horas são?
14:00
Pedido de conexão TCP
Resposta ao pedido de conexão
Get http://www.cin.ufpe.br
<arquivo>
tempo
Introdução 1-10
Agenda
1.1 O que é a Internet?
1.2 Extremidade da rede
1.3 Núcleo da rede
1.4 Rede de acesso e meio físico
1.5 Estrutura Internet e ISPs
1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes
1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço
1.8 História
Introdução 1-11
Zoom na infra-estrutura de rede:
Extremidade da rede: aplicações e hosts
Núcleo da rede: roteadores
Rede das redes
Redes de acesso, meio físico: enlaces de comunicação
Introdução 1-12
A extremidade da rede: end systems (hosts):
Executam programas/aplicações
e.g. Web, email
na “extremidade da rede”
Modelo cliente/servidor Host cliente requisita/recebe
serviços de servidores (always-on)
e.g. Web browser/servidor; email cliente/servidor
Modelo peer-to-peer model: uso mínimo (ou nenhum) de
servidores dedicados
e.g. Skype, BitTorrent, KaZaA
Introdução 1-13
Extremidade da redes: serviço orientado à conexão
Objetivo: transferência de dados entre end systems
handshaking: preparação (setup) para a transferência de dados Cumprimento entre
humanos
Estabelecimento de “estado” nos dois hosts comunicantes
TCP - Transmission Control Protocol Serviço orientado à
conexão da Internet
Serviço TCP [RFC 793]
Transferência de dados confiável, em ordem perda: acknowledgements
(acks) e retransmissões
Controle de fluxo: Emissor (sender) respeitará a
capacidade de recebimento de dados do receptor
Controle de congestionamento: emissor “reduz a taxa de
envio” quando a rede está congestionada
Introdução 1-14
Extremidade da rede: serviço não-orientado à conexão
Objetivo tranferência de dados entre end systems Como antes!
UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]:
Não orientado à conexão
Transferência de dados não confiável
Nenhum controle de fluxo
Nenhum controle de congestionamento
Apps que usam TCP: HTTP (Web), FTP (file
transfer), Telnet (remote login), SMTP (email)
Apps que usam UDP: Streaming de vídeo,
teleconferência, DNS, Telefonia na Internet (VoIP)
Introdução 1-15
Agenda
1.1 O que é a Internet?
1.2 Extremidade da rede
1.3 Núcleo da rede
1.4 Rede de acesso e meio físico
1.5 Estrutura Internet e ISPs
1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes
1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço
1.8 História
Introdução 1-16
O núcleo da rede
Mesh de roteadores interconectados
a questão fundamental: como dados são transferidos através da rede?
Comutação de circuito: circuito dedicado por chamada: rede telefônica
Comutação de pacote: dados enviados através da rede em “pequenos pedaços”
Introdução 1-17
O núcleo da rede: Comutação de circuitos
Recursos fim-à-fim reservados para a “chamada”
Banda passante do enlace, capacidade de comutação
Recursos dedicados: não há compartilhamento
Desempenho garantido (semelhante a um circuito)
Estabelecimento de chamada (setup) necessário
Introdução 1-18
Núcleo da rede: Comutação de circuitos Recursos de rede (e.g.,
banda passante) dividido em “partes”
Partes alocadas às chamadas
Parte do recurso livre (idle) se não utilizada por quem fez a chamada (sem compartilhamento)
Divisão da banda passante do enlace em “partes”
Divisão de Frequência
Divisão de Tempo
Introdução 1-19
Comutação de circuitos: FDM e TDM
FDM – Frequency Division Multiplexing
frequência
tempo
TDM – Time Division Multiplexing
frequência
tempo
4 usuários
Exemplo:
Introdução 1-20
Outro exemplo numérico
Quanto tempo leva para transmitir um arquivo de 640 kb de um host A a um host B através de uma rede de comutação de circuitos? Enlace de 1.536 Mbps
O enlace usa FDM com 24 canais (frequências)
500 ms para estabelecer um circuito fim-à-fim
Um canal é alocado para cada par comunicante
Tentem calcular!
Introdução 1-21
Exemplo Numérico
Quanto tempo leva para transmitir um arquivo de 640 kb de um host A a um host B através de uma rede de comutação de circuitos? Enlace de 1.536 Mbps
O enlace usa TDM com 24 slots/segundo
500 ms para estabelecer um circuito fim-à-fim
1 slot/segundo é alocado na comunicação de A para B
Tentem calcular!
Introdução 1-22
Núcleo da Rede: Comutação de pacotes Cada fluxo de dados fim-à-fim é
dividido em pacotes
Pacotes dos usuários A e B compartilham recursos de rede
Cada pacote usa a banda passante máxima do enlace
Recursos são usados quando necessário somente
Contenção de recursos:
Demanda agregada de recursos pode exceder a quantidade disponível
congestionamento: fila de pacotes, espera para uso do enlace
store and forward: pacotes atravessam um salto (hop) por vez Nó recebe um pacote
completo antes de reencaminhá-lo
Divisão da banda passante em “partes”
Alocação dedicada
Reserva de recursos
Introdução 1-23
Comutação de pacotes: Multiplexação Estatística
Sequência de pacotes de A & B não possui padrão fixo (compartilhamento sob demanda) multiplexação estatística
TDM: cada host recebe o mesmo slot em um quadro (frame) TDM.
A
B
C 100 Mb/s Ethernet
1.5 Mb/s
D E
Multiplexação estatística
Fila dos pacotes aguardando envio
Introdução 1-24
Comutação de pacotes versus comutação de circuitos
Enlace : 1 Mb/s Cada usuário:
100 kb/s quando “ativo” ativo 10% do tempo
Comutação de circuito:
10 usuários Comutação de pacotes:
Com 35 usuários, probabilidade > 10 ativos é menor que .0004
Comutação de pacotes permite que mais usuários utilizem a rede!
N usuários
Enlace de 1 Mbps
Q: como se chegou ao valor 0.0004?
Introdução 1-25
Comutação de pacotes versus comutação de circuitos
Bom para dados enviados em rajadas (bursty data)
Compartilhamento de recursos
simples, não requer estabelecimento de chamada
Congestionamento excessivo: atraso dos pacotes e perdas
Necessidade de protocolos para transferência confiável de dados, controle de congestionamento
Q: Como prover um comportamento semelhante aos circuitos?
Garantia de bw para apps de áudio/vídeo
Problema ainda sem solução na Internet
Quem é melhor? Comutação de pacotes?”
Q: analogias humanas para a reserva de recursos (comutação de circuitos) versus alocação sob demanda (comutação de pacotes)?
Introdução 1-26
Comutação de pacotes: store-and-forward
Leva L/R seconds para transmitir um pacote de L bits no enlace (R bps)
O pacote inteiro deve chegar ao roteador antes de poder ser transmitido para o próximo enlace: store and forward
atraso = 3L/R (assumindo atraso de propagação zero)
Exemplo: L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps atraso = 15 sec
R R R
L
Mais sobre atraso em breve …
Introdução 1-27
Redes de comutação de pacotes: encaminhamento (forwarding) Objetivo: “enviar” pacotes através dos roteadores
da origem até o destino Função do roteamento (estabelecimento de rotas)
Rede de datagramas: Endereço de destino no pacote determina o próximo salto
rotas podem mudar durante uma sessão
analogia: dirigir, pedir informações
Rede de circuito virtual: Cada pacote carrega uma etiqueta (tag - virtual circuit ID),
a tag determina o próximo salto
Caminho fixo determinado no meomento do setup e permanece fixo durante todo o processo
roteadores mantêm estado por “chamada”
Introdução 1-28
Taxonomia de Redes
Redes de Telecomunicações
Redes de Comutação de Circuitos
FDM TDM
Redes de Comutação de Pacotes
Redes com VCs
Redes de Datagramas
• Uma rede de datagramas não é orientada à conexão nem não orientada à conexões. • A Internet provê ambos serviços às aplicações: orientado à conexão (TCP) e não orientado à conexão (UDP).
Introdução 1-29
Agenda
1.1 O que é a Internet?
1.2 Extremidade da rede
1.3 Núcleo da rede
1.4 Rede de acesso e meio físico
1.5 Estrutura da Internet e ISPs
1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes
1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço
1.8 História
Introdução 1-30
Redes de Acesso e Meio físico Q: Como conectar end
systems à roteadores de borda?
Redes de acesso residencial
Redes de acesso institucional (escola, empresas)
Redes de acesso móvel
Mantenha em mente:
Banda passante (bits por segundo) da rede de acesso?
Compartilhada ou dedicada?
Introdução 1-31
Acesso residencial: acesso ponto-à-ponto Dialup via modem
até 56Kbps no acesso direto ao roteador (frequentemente menos)
Impossível de navegar e telefonar ao mesmo tempo: não pode estar “always on”
ADSL: asymmetric digital subscriber line
até 1 Mbps upstream (hoje em dia tipicamente < 256 kbps)
até 8 Mbps downstream (hoje em dia tipicamente < 1 Mbps)
FDM: 50 kHz - 1 MHz for downstream 4 kHz - 50 kHz for upstream
0 kHz - 4 kHz for ordinary telephone
Introdução 1-32
Acesso residencial: cable modems
HFC: hybrid fiber coax
asymmetric: até 30Mbps downstream, 2 Mbps upstream
rede de cabos e fibras que liga a casa ao roteador do ISP
Casas compartilham acesso ao roteador
disponível através de companhia de TV a cabo
Introdução 1-33
Acesso residencial: cable modems
Diagram: http://www.cabledatacomnews.com/cmic/diagram.html
Introdução 1-34
Arquitetura da Rede a cabo: Overview
casa
cable headend
cable distribution
network (simplificado)
Tipicamente de 500 a 5000 casas
Introdução 1-35
Arquitetura da rede a cabo: Overview
casa
cable headend
cable distribution
network
servidor(es)
Introdução 1-36
Arquitetura da rede a cabo: Overview
casa
cable headend
cable distribution
network (simplificado)
Introdução 1-37
Arquitetura da rede a cabo: Overview
casa
cable headend
cable distribution
network
Channels
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:
Introdução 1-38
Acesso para Empresas/Universidades: Redes Locais (LANs) Redes locais (LANs – Local
Area Networks) de empresas/univs conecta end system à roteadores de borda
Ethernet: Enlace compartilhado ou
dedicado que conecta end system e roteadores
10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet
LANs: + em breve
Introdução 1-39
Redes de Acesso Sem Fio
acesso sem fio compartilhado conecta end systems à roteadores via estação rádio base aka “ponto de
acesso”
wireless LANs: 802.11b/g (WiFi): 11 Mbps/54 Mbps
Acesso sem fio geograficamente distribuído (wider-area wireless access) Serviço oferecido por operador
telecom
3G ~ 320 à 1100 kbps
GPRS/EDGE no Brasil • Quando chegaremos lá?
Ponto De
acesso
Hosts móveis
roteador
Introdução 1-40
Redes Residênciais
Componentes típicos de uma rede residencial:
ADSL ou cable modem
roteador/firewall/NAT
Ethernet
Ponto de acesso sem fio
Ponto de acesso Sem fio
Laptops com placa de acesso sem
fio
roteador/ firewall
cable modem
de/para cable
headend
Ethernet Geralmente integrados
em um único
equipamento
Introdução 1-41
Meio Físico
Bit: propagados entre pares de transmissores/receptores
Enlace físico: ligação entre o transmissor e o receptor
Meio guiado: sinais se propagam em meio
sólido: cobre, fibra, coaxial
Meio não guiado: sinais se propagam
livremente, e.g., rádio
Par trançado (TP – twisted pair)
2 fios de cobre isolados Categoria 3: fios de
telefone tradicionais, Ethernet 10 Mbps
Category 5: Ethernet 100Mbps (4 pares trançados mas apenas 2 utilizados)
Introdução 1-42
Meio Físico: coaxial, fibra
Cabo coaxial: Dois condutores de
cobre concêntricos bidirecional Banda-básica:
Apenas um canal no cabo legado Ethernet
Banda-larga: múltiplos canais no cabo HFC (hibrid fiber-
coaxial)
Cabo de fibra óptica: Fibra de vidro
transportando pulsos de luz, cada pulso 1 bit
Operação para altas velocidades: Transmissões ponto-à-
ponto de alta velocidade (e.g., 10’s-100’s Gbps)
Baixa taxa de erro: repetidores ao longo da linha; imune ao ruído eletromagnético
Introdução 1-43
Meio Físico: rádio
Sinal transportado no espectro eletromagnético
Nenhum fio “físico”
bidirecional
Efeitos do ambiente na propagação: reflexão
Obstrucão por objetos
interferência
Tipos de enlace de rádio: Microondas terrestre
e.g. canais de até 45 Mbps
LAN (e.g., Wifi) 11Mbps, 54 Mbps
wide-area (e.g., celular) e.g. 3G: centenas de kbps
satélite Canais de Kbps a 45Mbps (ou
múltiplos canais menores)
Atraso fim-a-fim de 270 ms
geossícronos versus de baixa altitude
Introdução 1-44
Agenda
1.1 O que é a Internet?
1.2 Extremidade da rede
1.3 Núcleo da rede
1.4 Rede de acesso e meio físico
1.5 Estrutura Internet e ISPs
1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes
1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço
1.8 História
Introdução 1-45
Estrutura Internet: rede das redes
aproximadamente hierárquica
no centro: ISPs “tier-1” (e.g., Embratel, MCI, Sprint, AT&T, Cable and Wireless), cobertura nacional/internacional
Tratam outros como iguais
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
provedores Tier-1 se interconectam privadamente (peer)
NAP
Provedores Tier-1 também se interconectam a pontos de acesso de redes públicas (network access points - NAPs)
Introdução 1-46
ISP Tier-1: e.g., Sprint
Rede backbone da Sprint US
Seattle
Atlanta
Chicago
Roachdale
Stockton
San Jose
Anaheim
Fort Worth
Orlando
Kansas City
Cheyenne New York
Pennsauken Relay Wash. DC
Tacoma
DS3 (45 Mbps)
OC3 (155 Mbps)
OC12 (622 Mbps)
OC48 (2.4 Gbps)
…
De/para clientes
peering
do/para o backbone
…
.
…
…
…
POP: point-of-presence
http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=MKmJrDs0nnk
Introdução 1-47
Estrutura Internet: redes das redes
ISPs “Tier-2” : ISPs menores (geralmente regionais) Se conectam a um ou mais ISPs tier-1, possivelmente através de
outros ISPs tier-2
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
NAP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP
ISP Tier-2 paga ISP tier-1 para ter conectividade com o resto da Internet ISP tier-2 é cliente do provedor tier-1
ISPs Tier-2 também se interligam de forma privada entre si, se interconectam na NAP
Introdução 1-48
Estrutura Internet: redes das redes
ISPs “Tier-3”e ISPs locais Última rede de acesso (mais próxima aos end systems)
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
NAP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP
ISP local ISP
local ISP local
ISP local
ISP
local Tier 3 ISP
ISP local
ISP local
ISP local
ISPs locais end tier- 3 são clientes de ISPs tier de maior hierarquia que os conecta ao resto da Internet
Introdução 1-49
Rede do Campus da UMass
Introdução 1-50
Estrutura Internet: rede das redes
Um pacote passa através de muitas redes!
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
NAP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP
ISP local ISP
local ISP local
ISP local
ISP local Tier 3
ISP
ISP local
ISP local
ISP local
Introdução 1-51
Provedor de Backbone Nacional (e.g. Embratel)
http://www.embratel.net.br/Embratel02/cda/portal/0,2997,MG_P_951,00.html
Introdução 1-52
Enlaces Internacionais do Backbone da Embratel
http://www.embratel.net.br/Embratel02/cda/portal/0,2997,MG_P_951,00.html
Introdução 1-53
Agenda
1.1 O que é a Internet?
1.2 Extremidade da rede
1.3 Núcleo da rede
1.4 Rede de acesso e meio físico
1.5 Estrutura Internet e ISPs
1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes
1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço
1.8 História
Introdução 1-54
Como ocorrem perdas e atrasos?
Pacotes são enfileirados (“bufferizados”) nos roteadores Taxa de chegada de pacotes ao enlace excede a capacidade do link
de saída
Pacotes são colocados na fila, aguardam ser transmitidos
A
B
Pacote sendo transmitido (atraso)
Pacotes na fila (atraso)
Espaço disponível na fila: pacotes que chegam são descartados (perda) se não há mais espaço na fila
Introdução 1-55
4 fontes de atraso de pacotes
1. processamento no nó: Verificação de erros (bit
errors) Determinação do enlace de
saída
A
B
propagação
transmissão
Processamento no nó fila
2. fila Tempo aguardando
transmissão pelo enlace de saída
depende do grau de congestionamento do roteador
Introdução 1-56
Atraso em redes de comutação de pacotes 3. Atraso de transmissão:
R=banda passante do enlace (bps)
L= tamanho do pacote (bits)
Tempo para enviar os bits pelo enlace = L/R
4. Atraso de propagação:
d = tamanho do enlace físico
s = velocidade de propagação no meio (~2x108 m/sec)
Atraso de propagação = d/s
Nota: “s” e “R” são coisas completamente diferentes!
A
B
propagação
transmissão
Processamento no nó fila
Introdução 1-57
Analogia da caravana
Carros “se propagam” a 100 km/h
Pedágio leva 12 sec para servir um carro (tempo de transmissão)
carro~bit; caravana ~ pacote
Q: Quanto tempo leva para a caravana se alinhar antes do 2º pedágio?
Tempo para a caravana passar pelo 1º pedágio = 12*10 = 120 sec
Tempo até o último carro se propagar do 1º ao 2º pedágio: 100km/(100km/h)= 1 hr
Resp.: 62 minutos
pedágio pedágio Caravana de 10 carros
100 km 100 km
Introdução 1-58
Analogia da caravana (continuação)
Carros se “propagam” a 1000 km/h
Pedágio leva 1 min para servir um carro
Q: Carros chegarão ao 2º pedágio antes de todos os carros serem servidos no 1º pedágio?
Sim! Após 7 min, 1º carro no 2º pedágio e 3 carros ainda no 1º pedágio.
1º bit de um pacote pode chegar ao 2º roteador antes do pacote ser completamente transmitido pelo 1º roteador!
pedágio pedágio Caravana de 10 carros
100 km 100 km
Introdução 1-59
Atraso nodal (nodal delay)
dproc = atraso de processamento Tipicamente poucos microsegundos ou menos
dqueue = atraso de fila (queue) Depende do congestionamento
dtrans = atraso de transmissão = L/R é significante pata enlaces de baixa velocidade
dprop = atraso de propagação Poucos microsegundos a centenas de milisegundos
proptransqueueprocnodal ddddd
Introdução 1-60
Atraso na Fila (revisitado)
R=banda passante do enlace (bps)
L=tamanho do pacote (bits)
a=taxa média de chegada de pacotes
Intensidade de tráfego = La/R
La/R ~ 0: atraso médio na fila é pequeno
La/R -> 1: atraso começa a se tornar significativo
La/R > 1: mais “trabalho” chegando do que pode ser feito, atraso médio infinito!
Atraso médio
na fila
Introdução 1-61
Atraso, perdas e rotas na Internet “Real”
3 probes
3 probes
3 probes
Como é o atraso e a perda na Internet “real”?
Programa Traceroute: provê medidas de atraso de ida e volta
da fonte até cada roteador no caminho para o destino
Para cada roteador i:
envia 3 probes (pacotes) que alcançarão o roteador i no caminho para o destino
para cada probe recebido*, roteador i retorna uma resposta (pacote) para o emissor
Emissor marca tempo entre transmissão e chegada da resposta
Introdução 1-62
Atrasos e rotas da Internet “Real”
traceroute: cin para www.g1.com.br 3 medidas de atraso (probes)
* Significa sem resposta (probe perdido, resposta perdida, roteador não respondeu, roteador não respondeu no tempo esperado)
C:\>tracert www.g1.com.br
Rastreando a rota para www.g1.com.br [186.192.90.5]
com no máximo 30 saltos:
1 <1 ms <1 ms <1 ms 172.20.3.254
2 1 ms <1 ms <1 ms 200.133.31.1
3 9 ms <1 ms <1 ms mxpe-lanpe-10g-int.bkb.rnp.br [200.143.255.193]
4 7 ms 4 ms 4 ms pe-al-10g-oi.bkb.rnp.br [200.143.252.122]
5 11 ms 8 ms 8 ms al-se-10g-oi.bkb.rnp.br [200.143.252.117]
6 19 ms 13 ms 13 ms se-ba-10g-oi.bkb.rnp.br [200.143.252.114]
7 30 ms 30 ms 30 ms ba-es-10g-oi.bkb.rnp.br [200.143.252.93]
8 40 ms 40 ms 40 ms es-rj-10g-oi.bkb.rnp.br [200.143.252.85]
9 44 ms 43 ms 43 ms as28604.rj.ptt.br [200.219.138.17]
10 * * * Esgotado o tempo limite do pedido.
11 41 ms 41 ms 41 ms 186.192.90.5
Rastreamento concluído.
Introdução 1-63
Perda de pacotes
fila (buffer) precedendo enlace possui capacidade finita
Quando pacote chega e a fila está cheia, ele é descartado (lost/perda)
Pacote perdido pode ser retransmitido pelo nó anterior, pela fonte (end system) ou não ser retransmitido
Introdução 1-64
Agenda
1.1 O que é a Internet?
1.2 Extremidade da rede
1.3 Núcleo da rede
1.4 Rede de acesso e meio físico
1.5 Estrutura Internet e ISPs
1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes
1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço
1.8 História
Introdução 1-65
“Camadas/Pilhas” de Protocolos
Redes são complexas!
muitas “partes”:
hosts
roteadores
Enlaces de diversos tipos
aplicações
protocolos
hardware, software
Pergunta: Há alguma esperança de
conseguirmos organizar a estrutura da rede?
Ou pelo menos a nossa discussão sobre redes?
Introdução 1-66
Organização de uma viagem aérea
Uma série de etapas
bilhete (compra) bagagem (check-in) portão (embarque) decolagem Roteamento do avião(aérovias)
bilhete (reclamação) bagagem (recuperação) portão (desembarque) aterrissagem Roteamento do avião (aérovias)
Roteamento do avião
Introdução 1-67
ticket (purchase)
baggage (check)
gates (load)
runway (takeoff)
airplane routing
Partida do aeroporto Chagada ao aeroporto Centros de controle
intermediários de tráfego aéreo
airplane routing airplane routing
ticket (complain)
baggage (claim
gates (unload)
runway (land)
airplane routing
ticket
baggage
gate
takeoff/landing
airplane routing
Camadas na funcionalidade aérea
Camadas: cada camada implementa um serviço
Através de suas próprias ações internas
Conta com serviços providos pela camada inferior
Introdução 1-68
Por que organizar em camadas?
Lidando com sistemas compelxos: Estrutura explícita permite a identificação e relacionamento
das partes do sistema complexo
Modelo de referência em camadas para discussão
modularização facilita a manutenção e atualização do sistema
Mudança da implementação do serviço de uma camada é transparente para o resto do sistema
e.g., mudança no procedimento no portão de embarque não afeta o resto do sistema
Divisão em camadas pode ser considerada prejudicial?
Introdução 1-69
Pilha de protocolos Internet
aplicação: dá supoorte às aplicações da rede FTP, SMTP, HTTP
transporte: transfefência de dados entre hosts (end systems) TCP, UDP
rede: roteamento de datagramas da fonte ao destino IP, protocolos de roteamento
enlace: transferência de dados entre elementos de rede vizinhos PPP, Ethernet
física: bits “no fio”
aplicação
transporte
rede
enlace
física
Introdução 1-70
mansagem segmento
datagrama
quadro
fonte aplicação transp. rede
enlace física
Ht Hn Hl M
Ht Hn M
Ht M
M
destino
aplicação transp. rede
enlace físico
Ht Hn Hl M
Ht Hn M
Ht M
M
rede enlace física
enlace física
Ht Hn Hl M
Ht Hn M
Ht Hn Hl M
Ht Hn M
Ht Hn Hl M Ht Hn Hl M
roteador
Switch Ou comutador
Encapsulamento
Introdução 1-71
Agenda
1.1 O que é a Internet?
1.2 Extremidade da rede
1.3 Núcleo da rede
1.4 Rede de acesso e meio físico
1.5 Estrutura Internet e ISPs
1.6 Atraso & perda em redes de comutação de pacotes
1.7 Camadas de protocolo, modelos de serviço
1.8 História
Introdução 1-72
História da Internet
1961: Kleinrock – teoria de 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: 1º nó operacional da ARPAnet
1972:
Demonstração pública da ARPAnet
Primeiro protocolo host a host - NCP (Network Control Protocol)
1º programa de e-mail
ARPAnet alcança 15 nós
1961-1972: início dos princípios da comutação de pacotes
Introdução 1-73
História da Internet
1970: rede de satélite ALOHAnet satellite no Hawaii
1974: Cerf and Kahn - arquitetura para interconexão de redes
1976: Ethernet na Xerox PARC
Fim dos anos 70: arquiteturas proprietárias: DECnet, SNA, XNA
Fim dos anos 70: comutação de pacotes de tamanho fixo (precursor ATM)
1979: ARPAnet atinge 200 nodes
Princípios de interconexão de redes de Cerf e Kahn: minimalismo, autonomia –
nenhuma mudança interna necessária para interconectar redes
Modelo de serviço de melhor esforço (best effort)
Roteadores sem estado (stateless routers)
Controle descentralizado define a arquitetura atual da
Internet
1972-1980: Interconexão de redes, redes novas e proprietárias
Introdução 1-74
História da Internet
1983: desenvolvimento do TCP/IP
1982: definição do protocolo smtp para e-mail
1983: definição do DNS para tradução de nomes para endereços IP
1985: definição do protocolo ftp
1988: controle de congestionamento TCP
Novas redes: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel
100.000 hosts conectados em uma confederação de redes
1980-1990: novos protocolos, proliferação de redes
Introdução 1-75
História da Internet
Início dos anos 90: ARPAnet encerrada
1991: NSF aumenta restrições sobre o uso comercial da NSFnet (encerrado, 1995)
Início dos anos 90: Web
hypertext [Bush 1945, Nelson anos 60]
HTML, HTTP: Berners-Lee
1994: Mosaic, Netscape
Fim dos anos 90: commercialização da Web
Final dos anos 90 – início de 2000:
“killer apps”: mensagem instantânea, compartilhamento de arquivos P2P
Segurança de rede em destaque
Estimação de 50 milhões de hosts, + de 100 milhões de usuários
Enlaces do backbone oferecendo Gbps
1990, 2000: comercialização, Web, novas aplicações
Introdução 1-76
Introdução 1-77
Foto de satélite mostra os Estados Unidos durante a noite, com concentração de
luzes na Costa Leste (Foto: NASA Earth Observatory/Reuters) - 2012
Alguma semelhança?
Introdução 1-78
História da Internet Brasileira
Objetivo: construção de uma infra-estrutura de rede Internet nacional para a comunidade acadêmica
1991: a rede começa a ser montada
1994: rede atinge todas as regiões do país
2000-2001: a rede é atualizada para suportar aplicações avançadas Desde então o backbone RNP
possui pontos de presença em todos os estados
2005: Modernização do backbone com enlaces ópticos operando a vários gigabits por segundo
2010: Nova atualização do backbone com capacidade agregada aumentada em 280% e 24 dos 27 PoPs contam com enlaces de mais de 1 Gbps
1989 – Ministério da Ciência e Tecnologia (MCT) cria a RNP
Introdução 1-79
Mapa do Backbone da RNP
Fo
nte: h
ttp://w
ww
.rnp
.br/b
ackb
on
e/ Mapa do backbone RNP em 2006
Introdução 1-80
Mapa do Backbone da RNP
Fo
nte: h
ttp://w
ww
.rnp
.br/b
ackb
on
e/ Mapa do backbone RNP em 2011
Introdução 1-81
Atrasos e rotas da Internet “Real”
traceroute: cin para www.g1.com.br 3 medidas de atraso (probes)
* Significa sem resposta (probe perdido, resposta perdida, roteador não respondeu, roteador não respondeu no tempo esperado)
C:\>tracert www.g1.com.br
Rastreando a rota para www.g1.com.br [186.192.90.5]
com no máximo 30 saltos:
1 <1 ms <1 ms <1 ms 172.20.3.254
2 1 ms <1 ms <1 ms 200.133.31.1
3 9 ms <1 ms <1 ms mxpe-lanpe-10g-int.bkb.rnp.br [200.143.255.193]
4 7 ms 4 ms 4 ms pe-al-10g-oi.bkb.rnp.br [200.143.252.122]
5 11 ms 8 ms 8 ms al-se-10g-oi.bkb.rnp.br [200.143.252.117]
6 19 ms 13 ms 13 ms se-ba-10g-oi.bkb.rnp.br [200.143.252.114]
7 30 ms 30 ms 30 ms ba-es-10g-oi.bkb.rnp.br [200.143.252.93]
8 40 ms 40 ms 40 ms es-rj-10g-oi.bkb.rnp.br [200.143.252.85]
9 44 ms 43 ms 43 ms as28604.rj.ptt.br [200.219.138.17]
10 * * * Esgotado o tempo limite do pedido.
11 41 ms 41 ms 41 ms 186.192.90.5
Rastreamento concluído.
Introdução 1-82
Estatística de Tráfego no Backbone RNP (Pernambuco)
Fonte:http://www.rnp.br (22-08-2011)
Panorama do tráfego
Introdução 1-83 22-08-2011
Introdução 1-84
Introdução: Sumário
Foi coberto uma tonelada de material!
Visão geral da Internet
O que é um protocolo?
Borda e núcleo da rede, rede de acesso
Comutação de pacotes versus comutação de circuitos
Estrutura Internet/ISP
desempenho: perda, atraso
Modelos de serviço e camadas
história
Você possui agora: contexto, visão geral
e “sentimento” sobre redes
Mais detalhes posteriormente no curso!
TESTE SEUS CONHECIMENTOS
Introdução 1-85
Exercício 01
Introdução 1-86
10 Mbps
10 Mbps
Host A
Host B
Host C R1
100 Mbps
1 ms 10 ms
10 ms
Considere a rede de comutação de pacotes como apresentada na figura. Dois hosts A e
B estão conectados ao roteador R1, que por sua vez está conectado ao host C. A taxa
de transmissão de cada enlace e os atrasos de propagação são apresentados na figura.
Os roteadores são do tipo “store-and-forward” e possuem memória de 10 Kbytes para
armazenamento de pacotes na fila. Assuma que o tempo de processamento por pacote
em cada roteador seja de 1 μs e que este tempo seja somente gasto quando o pacote
alcançar o início da fila.
Exercício 01
Introdução 1-87
10 Mbps
10 Mbps
Host A
Host B
Host C R1
100 Mbps
1 ms 10 ms
10 ms
Assuma que inicialmente a rede esteja completamente vazia. O host A envia
consecutivamente dois pacotes de 1 KByte para o host C. Pergunta-se :
a) Qual o atraso total de propagação, em milisegundos, sofrido pelo primeiro pacote?
b) Qual o atraso total de transmissão, em milisegundos, sofrido pelo primeiro pacote?
c) Qual o atraso total de fila, em milisegundos, sofrido pelo primeiro pacote?
d) Qual o atraso total de processamento, em milisegundos, sofrido pelo primeiro
pacote?
Exercício 01
Introdução 1-88
10 Mbps
10 Mbps
Host A
Host B
Host C R1
100 Mbps
1 ms 10 ms
10 ms
e) Após quantos milisegundos, o primeiro pacote chega ao seu destino?
Exercício 01
Introdução 1-89
10 Mbps
10 Mbps
Host A
Host B
Host C R1
100 Mbps
1 ms 10 ms
10 ms
f) Qual o atraso total de propagação, em milisegundos, sofrido pelo segundo pacote?
g) Qual o atraso total de transmissão, em milisegundos, sofrido pelo segundo pacote?
h) Qual o atraso total de fila, em milisegundos, sofrido pelo segundo pacote?
i) Qual o atraso total de processamento, em milisegundos, sofrido pelo segundo pacote?
Exercício 01
Introdução 1-90
10 Mbps
10 Mbps
Host A
Host B
Host C R1
100 Mbps
1 ms 10 ms
10 ms
j) Após quantos milisegundos do início de sua transmissão, o segundo pacote chega ao
seu destino?
Exercício 02
Introdução 1-91
100 Mbps
100 Mbps
Host A
Host B
Host C R1
10 Mbps
10 ms 1 ms
1 ms
Repita o Exercício 01 considerando a rede abaixo.
Exercício 03
Considere os seguintes dados: O roteador R1 recebe em média 50 pacotes por segundo
Cada pacote possui tamanho de 1 KByte
O enlace de saída do roteador R1 é de 1 Mbps
O enlace de 1 Mbps está congestionado? Justifique matematicamente sua resposta.
Introdução 1-92
R1
1 Mbps
Exercício 04
Considere os seguintes dados: O roteador R1 recebe em média 110 pacotes por segundo
Cada pacote possui tamanho de 1 KByte
O enlace de saída do roteador R1 é de 1 Mbps
O enlace de 1 Mbps está congestionado? Justifique matematicamente sua resposta.
Introdução 1-93
R1
1 Mbps
Exercício 04
Para cada um dos seguintes destinos, execute 3 traceroutes em horas diferentes (manhã, tarde, noite) a partir de um mesmo computador. Destino 1: www.ufpe.br (Recife) // Destino 2: www.ufrj.br (Rio de Janeiro) // Destino 3: www.lip6.fr (Paris/França) // Destino 4: www.u-tokyo.ac.jp (Tókio/Japão). Guarde em arquivo os resultados.
a) Para cada destino, compare os três testes, verificando se o número de roteadores no caminho e as rotas permaneceram iguais. Caso tenha havido alteração, apresente uma possível justificativa para o ocorrido.
b) Para cada destino, calcule a média e o desvio padrão dos RTTs observados para o último salto
c) Compare a ordem de grandeza dos RTTs médios obtidos no item (b). Comente as diferenças observadas, tentando apresentar motivos plausíveis.
d) A partir de um dos testes para o Japão, tente identificar quais países estão na rota para este destino.
e) Explique o porquê da ocorrência de eventuais * na saída do traceroute.
f) Explique o porquê do RTT para um salto i+1 ser eventualmente menor do que o RTT observado para o salto i
Introdução 1-94
Dica: Pode ser necessário usar os serviços do site http://whois.domaintools.com
Exercício 05
Todas as rotas na Internet são bidirecionais (o caminho de ida é igual ao de volta) ? Justifique sua resposta.
Introdução 1-95
Exercício 06
Explique com suas próprias palavras o que é:
A. Internet
B. Protocolo de Comunicação
C. Controle de Fluxo (TCP)
D. Controle de Congestionamento (TCP)
E. Comutação de Circuitos (cite vantagens/desvantagens)
F. Comutação de Pacotes (cite vantagens/desvantagens)
Introdução 1-96