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Redes de ComputadoresRedes de Computadores

Cap. I ‐ Introduçãop ç

Licenciatura Engª InformáticaLicenciatura Engª Informática2º Semestre 2011/12

Prof. José Rogadojose dot rogado at ulusofona dot ptjose dot rogado at ulusofona dot pt

U i id d L ófUniversidade Lusófona

Intro1‐1

Programa da Cadeira (I)Programa da Cadeira (I)Introdução às Redes de Nível AplicacionalComputadores

A Internet: conceitos e arquitectura

Arquitectura de aplicações distribuídas

A Web e o Protocolo HTTPConectividade: ligações com e sem estado

Topologias de Redes: LAN, WAN,

Transferência de Ficheiros: o protocolo FTP

O Mail e o protocolo SMTPTopologias de Redes: LAN, WAN, MAN

Redes de Acesso e Ligação Física

Transmissão de Dados em Meios

O Mail e o protocolo SMTP

O serviço de nomes: o serviço DNS

G t li i iTransmissão de Dados em Meios Físicos

Noções de Serviço e Protocolo

Gateways aplicacionais

Programação distribuída: o API socket.

Arquitectura por camadas: protocolos OSI e TCP/IP

Intro1‐2

Programa da Cadeira (II)Programa da Cadeira (II)Nível Transporte

Noções de Serviço de TransporteNível Ligação de Dados

d l dNoções de Serviço de TransporteTransporte sem conexão: UDPTransferência de Dados FiávelTransporte orientado à conexão: TCP

Modelo de ServiçoDetecção e Correcção de ErrosProtocolos de Acesso Múltiplo: CSMA/CDTransporte orientado à conexão: TCP

Controle de Fluxo e CongestãoControle de Congestão no protocolo TCP

Nível Rede

CSMA/CDNormas IEEE para redes locaisEndereçamento: MAC, ARP, DHCP.Ethernet: estrutura protocolo e

Modelo de Serviços de RedeEncaminhamento, CongestãoCircuitos Virtuais e Datagramas

Ethernet: estrutura, protocolo e tecnologiaInterligação: Repetidores (Hubs) e Pontes (Switches)

Estrutura e funcionamento de um RouterProtocolo IP: encaminhamento e endereçamentoIPV4 IPV6

Protocolo Ponto a Ponto: PPPProtocolo ATMVirtualização do Nível Ligação

IPV4 e IPV6Algoritmos de EncaminhamentoEncaminhamento em Multicast

Intro1‐3

Método de AvaliaçãoAulas Teóricas

A assiduidade conta para a apreciação final

Aulas Práticas LaboratórioAulas Práticas LaboratórioA assiduidade às aulas práticas é essencial para a realização dos trabalhos do LaboratórioNão será possível fazer os trabalhos sem vir às aulas práticas

Aprovação na Cadeira: nota final de 10 valoresP áti 50%Prática 50%• Mínimo de 4 trabalhos com entrega faseada

Teórica 50%• Teste e Frequência Final

As notas parcelares não são arredondadas• Arredondamento só é feito depois de calculada a média• Arredondamento só é feito depois de calculada a média

Notas inferiores a 8 em qualquer avaliação são eliminatórias e implicam a realização de exame na respectiva componente

Intro1‐4

Referências BibliográficasAs aulas seguem o livro

“Computer Networking ‐ A top‐down approach featuring the Internet” (5th Edition), de J. Kurose e K. Ross, Ed. Addison‐Wiley, 2009; ISBN: ( ), , y, ;0136079679.

Outras referências“Computer Networking : Principles Protocols and Practice” by OlivierComputer Networking : Principles, Protocols and Practice , by Olivier Bonaventure, 2008, freely available at: http://inl.info.ucl.ac.be/CNP3

“Computer Networks: An Open Source Approach”, by Lin/Hwang/BakerEd M G Hill 2011 ISBN 10 0073376248Ed. McGraw‐Hill, 2011, ISBN‐10: 0073376248.

“Unix Network Programming: The Sockets Networking API Vol 1”, by R. Stevens, B. Fenner & A. Rudoff, Ed Prentice Hall, December, 2003, ISBN: 01314115510131411551.

“Linux Network Administrator’s Guide”, Tony Bauts et al, Ed. O’Reilly, February 2005, ISBN: 0596005482. Os materiais das aulas teóricas serão f d à d dfornecidos à medida

Os materiais das aulas teóricas serão fornecidos à medida

Nas aulas de laboratório serão fornecidos guiões sobre os trabalhos a

Intro1‐5

Nas aulas de laboratório serão fornecidos guiões sobre os trabalhos a realizar

IntroduçãoIntroduçãoAgenda: Objectivos:

O que é a Internet

A periferia da rede

Introduzir conceitos gerais e terminologia

M i d t lh ó iA infra‐estrutura da rede

Redes de comutação de

Maior detalhe nos próximos capítulos

Metodologia:çpacotes

Redes de acesso, meios

Utilizar a Internet como exemplo

físicos

Níveis de protocolos, modelos de serviço

Intro1‐6

Intro: roadmapIntro: roadmap

A Internet

A periferia da rede

A infra‐estrutura da rede

Topologia de Redes e Redes de AcessoTopologia de Redes e Redes de Acesso

Transmissão de dados e meios físicos

Níveis de protocolos e Modelos de serviço

Intro1‐7

A Internet: os elementosA Internet: os elementosmilhões de dispositivos router workstationligados: hosts = sistemas finais

Correndo aplicações em rede

workstationserver

mobileLigados por uma infra‐estrutura de comunicação

fib b di éli

local ISP

fibra, cobre, radio, satélite

frequência de transmisão = largura de banda

regional ISPg

routers: encaminham pacotes (fragmentos de dados)

companynetwork

Intro1‐8

network

A Internet: as convençõesA Internet: as convenções

Protocolos controlam o envio e recepção router workstationde msgs

e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP

Organização: “uma rede de redes”

workstationserver

mobileg ç

Vagamente hierárquica

Internet publica vs. intranet privada

St d d I t t

local ISP

Standards Internet

IETF: Internet Engineering Task Force

• RFC: Request for Commentsregional ISP

IEEE: Institute for Electrical andElectronic Engineers

• IEEE 802.3 (Ethernet)80 .3 ( t e et)

companynetwork

Intro1‐9

network

A Internet: os serviçosA Internet: os serviços

Infra‐estrutura de comunicação permite aplicações distribuídas:

Web email jogos multimédiaWeb, email, jogos, multimédia, redes sociais,…

Serviços de comunicação ç çfornecidos às aplicações:

Serviços sem conexão: l f ágeralmente não fiáveis

Serviços com conexão: geralmente fiáveisg

Intro1‐10

Os protocolosOs protocolosProtocolos humanos: Protocolos de Rede:

“Que horas são?”

“Olá! Como vais?”

Máquinas em vez de seres humanos

“O meu nome é ...”

… msgs específicas enviadas

Toda a comunicação na Internet é governada por

t l… acções específicas

realizadas em resposta às

protocolos

msgs recebidas

Os protocolos definem o formato e a ordem das mensagens envidas e recebidas entre entidades da rede e as acções tomadas no seu envio e recepção

Intro1‐11

O que é um protocolo ?q pUm protocolo humano e um protocolo entre computadores em rede:

Olá ! TCP connectionrequest

Como vai?

q

TCP connectionresponse

Olá !

Get http://www ulusofona pt/boletimBem, obrigado!

Get http://www.ulusofona.pt/boletim<file>time

ProtocoloProtocolo => Conjunto de regras que devem ser observadas para assegurar uma troca coordenada de informação entre duas ou

Intro1‐12

mais partes. Exemplos ?


A Internet

A periferia da rede

A infra‐estrutura de rede




Intro1‐13

Composição da Internet:Composição da Internet:

Periferia:Periferia:Hosts (clientes, servidores)Aplicaçõesp ç

Malha interna:Routers, switches,Redes de redes

Meios físicos:Transmissão efectiva da informação (cobre, fibra,

)wireless, …)

Intro1‐14

Network edge: A Periferia da rede:Network edge: A Periferia da rede:

Sistemas Finais (hosts):( )Executam aplicações• e.g. Web, email

Na periferia da rede

Modelo cliente/servidorhost cliente requer e recebe services de servidor always‐on• e.g. Web browser/server; email g / ;client/server

Modelo peer‐to‐peer :uso mínimo (or nenhum) de servidores dedicados• e g KaZaA Torrent Skype

Intro1‐15

• e.g. KaZaA, Torrent, Skype

Serviços Orientados à Conectividadeç

Objectivo: transferência (transporte) fiável de dados

Serviço TCPf ê f á l d d d(transporte) fiável de dados

entre sistemas finaisHandshaking: preparação é i t f ê i d

Transferência fiável e ordenada de fluxos de dados

Percas de dados são evitadas é d ã dprévia para a transferência de

dadosEstabelecimento (setup) de “ t d ” t d i i t

através de numeração de sequências, acusados de recepção (acknowledgements) e retransmissões“estado” entre dois sistemas

que comunicam

TCP ‐ Transmission ControlProtocol [RFC 793]

retransmissões

Controle de fluxo:O emissor não “inunda” o receptor

C t l d tãProtocol [RFC 793]Protocolo para serviços de conectividade na Internet

E t d d P t l TCP á

Controle de congestão:O emissor diminui a taxa de envio quando o tráfico na rede excede as capacidadesEstudo do Protocolo TCP será

feito no capítulo 3 (nível de transporte)

as capacidades

Intro1‐16

Serviços sem ConectividadeçObjectivo: transporte não fiável de

dados entre sistemas finaisAplicações que usam TCP:

HTTP (Web) FTP (file transfer)Sem Conecção

Não há estabelecimento de “estado” entre dois sistemas que

HTTP (Web), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP (email)

estado entre dois sistemas que comunicam

Transferência não fiável Sem controle de fluxo

Aplicações que usam UDP:streaming media, teleconferência, DNS Internet telephony (VoIP)

Sem controle de congestãoUDP ‐ User Datagram Protocol [RFC 768]:

DNS, Internet telephony (VoIP)

]Protocolo para serviços sem conectividade na Internet

Estudo do Protocolo UDP será feito ít l 3 ( í l d t t )no capítulo 3 (nível de transporte)

Intro1‐17


A Internet

A periferia da rede





Intro1‐18

A Infra‐estrutura da RedeMalha de switches e routersinterligados

Network Core

A questão fundamental é: como são transmitidos os dados através da rede?

ã d éComutação de Circuitos: circuito pré‐estabelecido e dedicado por ligação ‐ex: rede telefónica

Comutação de Pacotes: os dados são enviados em “pacotes” (fragmentos) discretos e a ligação é feita à medidadiscretos e a ligação é feita à medida da disponibilidade da malha ‐ ex: rede Ethernet

Intro1‐19

Comutação de Circuitos (C/S)Comutação de Circuitos (C/S)

Recursos ponta‐a‐pontaRecursos ponta a pontareservados durante a “ligação”ligaçãoLargura de banda da rede, capacidade dos comutadorescapacidade dos comutadores

Recursos são dedicados: não há partilhap

Performance garantida

É necessário estabelecimento prévio da ligação

Intro1‐20

Comutação de CircuitosComutação de Circuitos

Os recursos da rede (bandaOs recursos da rede (banda passante) são divididos por “canais”canaisOs canais são alocados às ligações (chamadas)

A divisão da largura de banda em múltiplos canaisg ç ( )

Um canal fica desocupado se não estiver a ser usado pela

banda em múltiplos canais pode ser feita de duas formas

ligação a que pertence (não há partilha)

Divisão em frequência

Divisão temporal

Intro1‐21

Exemplo de Comutação de Circuitos

Intro1‐22

Mutiplexagem em Frequência e no TempoMutiplexagem em Frequência e no Tempo

F Di i i M l i l i (FDM)Example:

Frequency Division Multiplexing (FDM) 4 users

frequency

timeTime Division Multiplexing (TDM)Time Division Multiplexing (TDM)

frequency

Intro1‐23time

Comutação de Pacotes (P/S)Comutação de Pacotes (P/S)Os dados a enviar são divididos em Contenção de recursos:

fragmentos designados por pacotes

Os pacotes dos vários utilizadores partilham os recursos da rede

A procura agregada de recursos pode exceder a disponível

Congestão: os pacotes ficam em filap

Cada pacote usa a largura de banda total

Congestão: os pacotes ficam em fila de espera até que haja recursos

Store and forward: os pacotes li ã d dOs recursos só são utilizados quando

necessáriomovem‐se uma ligação de cada vez

Um nó recebe um pacote completo antes de o reenviarp

Divisão da banda passante

Al ã d di dAlocação dedicada

Reserva de Recursos

Intro1‐24

Comutação de Pacotes : Multiplexagem Estatística

A C100 Mb/sEthernet Multiplexagem Estatística

B20 Mb/s

fila de pacotesesperando ligação

de saída

D E

de sa da

Sequências de pacotes A & B não têm um padrão de chegada fixo, partilham ligação à medida Multiplexagem EstatísticaEm C/S: cada host recebe a mesma faixa (slot) nas bandas FDM ou TDM mesmo se os outros estão inactivos.

Intro1‐25

Comutação de Pacotes vs. Comutação de Circuitos

P/S óptimo para dados enviados irregularmente (bursts)

Permite partilha de recursosp

Protocolos mais simples sem conecção prévia

Em caso congestão excessiva: atraso e perca de pacotesg p p

São necessários protocolos para garantir transferências de dados fiáveis e controlo de congestão (cf. TCP)

Como providenciar comportamento de C/S em P/S?

Necessidade de garantir banda passante para aplicações áudio/vídeo

Utilização de protocolos de streaming (RSVP, RTP…)

Intro1‐26

Circuit, Message and Packet Switching

Intro1‐27

(a) Circuit switching (b) Message switching (c) Packet switching

Comutação de Pacotes: store‐and‐forward

R R R

L

Leva L/R segundos para Exemplo:

R R R

transmitir um pacote de L bits numa ligação com R bps

O pacote inteiro deve chegar

L = 8 Mbits (1 Mbyte)

R = 20 Mbps

Atraso = (8/20)* 3 = 1 2 secO pacote inteiro deve chegar ao router antes de poder ser transmitido na próxima ligação:

Atraso = (8/20)* 3 = 1.2 sec

Simuladores:

Transmissão de Pacotesstore and forward

Atraso = 3L/R (assumindo tempo de propagação zero)

Perca de Pacotes

tempo de propagação zero) Mais sobre atrasos em breve …

O tamanho dos pacotes é importante para o desempenho

Intro1‐28

O tamanho dos pacotes é importante para o desempenho

Redes de Comutação de Pacotes : forwardingObjectivo:mover pacotes através de routers desde a origem até ao destino

Estudaremos várias formas de seleccionar caminhos, i.e. algoritmos de encaminhamento (routing) no capítulo 4

Rede Datagrama (Ex. Ethernet):ede atag a a ( t e et)O endereço de destino no pacote determina o próximo salto

O encaminhamento pode mudar durante uma transmissão

l i i d i d i hanalogia: ir a conduzir perguntando o caminho

Rede de Circuito Virtual (Ex: X.25, ATM):Cada pacote leva uma marca (tag), que identifica o circuito virtual, que p ( g), q , qdetermina o destino da próxima ligação

O caminho fixo é determinado na inicialização da transmissão e mantém‐se durante a sua realizaçãoç

Os routers mantêm estado associado a cada transmissão

Intro1‐29

Taxionomia de Redes

Telecommunicationnetworksnetworks

Circuit-switchednetworks

Packet-switchednetworks

FDM TDM Virtual CircuitN t ks

DatagramNetworksNetworks Networks

• Uma rede de tipo Datagrama não é forçosamente utilizada em modo desconectado.• Os protocolos da Internet fornecem serviços com conecção(TCP) e sem conecção (UDP) às aplicações

Intro1‐30

( ) m ç ( ) p ç


A Internet

A periferia da rede


Topologias e Redes de AcessoTopologias e Redes de Acesso



Intro1‐31

Topologia da Internetp g

A Internet utiliza vários tipos de redes, comA Internet utiliza vários tipos de redes, com topologias e coberturas distintas

LAN Local Area NetworksLAN ‐ Local Area Networks

•Wireless Networks

•Home Networks

MAN ‐Metropolitan Area Networksp

WAN ‐Wide Area Networks

Intro1‐32

Arquitectura da Internetq

Intro1‐33

LAN – Local Area networksUma rede local (LAN) é uma rede de comunicações utilizada por uma única organização abrangendo uma distância limitada, num raio de 6 Km, que permite que os utilizadores partilhem informações e recursos, utilizandopermite que os utilizadores partilhem informações e recursos, utilizando velocidades de transmissão elevadas (actualmente de 10 a 1.000 Mbits/s).

Duas redes de Broadcast:(a) Bus e (b) Ring

Intro1‐34

(a) Bus e (b) Ring

Redes Institucionais: Local Area Networks

As Redes de empresas e universidades que interligam os sistemas finais

E h (IEEE 802 3)Ethernet (IEEE 802.3):

Ligação dedicada ou partilhada que liga ospartilhada que liga os sistemas finais através de routers ou switchesrouters ou switches

10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet

Intro1‐35

Redes de Acesso WirelessAcesso wireless partilhado que liga sistemas finais

Através de um router wireless ou “Access Point”

router

LANs wireless (WiFi):802.11b/g/n (WiFi): 11/54/160 Mbps

Wid Wi l A

basestation

Wide‐area Wireless AccessFornecida por operadores telco

GSM/GPRS: 9~20 KbpsGSM/GPRS: 9 20 Kbps

3G/UMTS: Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA): 384 Kbps mobile

hosts3.5G/HSPA: 7.2~14 Mbps

4G/LTE: 100 Mbps

hosts

Intro1‐36

Home Networks – Redes Domésticas

A instalação de redes domésticas tem‐se tornado cada vez mais comum

Componentes típicos de uma rede domésticaModem ADSL ou cabo

Router/firewall/NAT

Ethernet

Wireless Access Point

wirelesslaptops

router/firewall

Cable/ADSLmodem

to/fromcable

headendwirelessaccess point

headend

Ethernet

Intro1‐37

point

PAN – Personal Area networksUma rede pessoal (PAN) é uma rede de comunicações utilizada por um único indivíduo abrangendo uma divisão de um edifício num raio de 10 medifício, num raio de 10 mPermite ligação, sem utilização de cabos, diversos dispositivos, utilizando velocidades de transmissão elevadas até ~2 Mbits/s.

Intro1‐38

MAN – Metropolitan Area NetworkUma rede metropolitana (MAN) é uma rede de comunicações abrangendo uma comunidade (uma Cidade), que permite que os utilizadores partilhem o acesso a um ou mais serviços, utilizando p ç ,velocidades de transmissão elevadas (~ 1 a 10 Gbits/s).

Uma rede metropolitana baseada em Televisão por Cabo

Intro1‐39

Uma rede metropolitana baseada em Televisão por Cabo

Wide Area NetworksWide Area NetworksUma WAN é uma rede que abrange grandes distâncias e estabelece ligações entre redes locais e metropolitanas à escala de países ou de continentes

Li ã t LAN t é d lh d b dLigação entre LANs através de uma malha de sub‐redes permitindo diversas rotas entre dois pontos

Intro1‐40

Wide Area Networks (2)Wide Area Networks (2)A WAN estabelece uma ligação virtual entre emissor e receptor, utilizando múltiplos protocolos e meios físicos

Em grandes distâncias são utilizados protocolos ponto a t (C 5)ponto (Cap 5)

Intro1‐41

Redes de Acesso e Ligação Física

Ligação entre os sistemas finais e os routers periféricosrouters periféricosRedes de acesso residencialRedes institucionais (escolas,Redes institucionais (escolas, empresas)Redes de acesso móveis

Características: Capacidade (em bps) da rede de p ( p )acessoRedes partilhadas ou dedicadas

Intro1‐42

Lacete local: Modems, ADSL

Lacete Local (Local Loop):• Utilização de transmissões analógicas e digitais para estabelecer ligações• Utilização de transmissões analógicas e digitais para estabelecer ligações

entre sistemas finais• A codificação é feita por modems (moduladores/desmoduladores) e codecs

(codificadores/descodificadores)

Intro1‐43

Rede de Acesso Residencial

Início: Dialup via modem analógico

até 56Kbps de acesso directo ao ISP p(ou menos)

Impossível navegar e telefonar ao mesmo tempo impossível estar“always on”

Evolução ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line

Até 2 Mbps upstream (~ 256 kbps)p p ( p )

Até to ~50 Mbps (adsl+) downstream (~ 2‐24 Mbps)

Utiliza Frequency Division Multiplexing (FDM):Utiliza Frequency Division Multiplexing (FDM):• 50 kHz ‐ 1 MHz em downstream• 4 kHz ‐ 50 kHz em upstream

Intro1‐44

• 0 kHz ‐ 4 kHz para telefone

Digital Subscriber LinesADSL ‐ Asymetric Digital Subscriber Line

Usa Discrete Multitone ModulationUsa Discrete Multitone Modulation.

504

Intro1‐45

Comparação Tecnologias ADSL

T d T i ã f ã d Di tâ i E d P i t

Intro1‐46

Taxa de Transmissão em função da Distância ao End-Point

Acesso Fibra ÓpticaHoje em dia o acesso residencial é cada vez mais baseado numa infra‐estrutura de fibra óptica

Sobretudo em meios urbanos

As transmissão em fibra óptica é baseada nos protocolos Synchronous Optical Networking (SONET) and SynchronousDigital Hierarchy (SDH)

Protocolos de m ltiple agem síncrona q e permitem transferirProtocolos de multiplexagem síncrona que permitem transferir simultaneamente múltiplos fluxos de dados

Através da agregação de vários circuitos virtuais é possível fornecer taxas de transmissão cada vez mais elevados aos utilizadores residenciais

As redes públicas de ADSL e Cabo utilizam esta tecnologia naAs redes públicas de ADSL e Cabo utilizam esta tecnologia na sua oferta de fibra (Fiber to the Home)

Intro1‐47

Acesso Residencial : Cable Modems

DOCSiS: Data Over Cable Service Interface Specification

Rede de cabo e fibra na ligação residencial ao router do ISPResidenciais partilham acesso até ao router

A i ét i té 30Mb d t 9 Mb tAcesso assimétrico: até 30Mbps downstr., 9 Mbps em upstr.

O EuroDOCSIS 3.0 permite débitos muito mais elevados através da multiplexagem de vários canais permitindo 160 /120 Mbps

Disponibilização através de companhias de televisão por caboNetcabo ‐ ZON

C b Vi ã (?)CaboVisão (?)

Intro1‐48

Cable ModemsCable ModemsQAM - Quadrature amplitude modulationp

QPSK - Quadrature Phase-shift Keying

Intro1‐49


A Internet

A periferia da rede





Intro1‐50

Transmissão de Dados

A transmissão de dados em meios físicos é baseada na emissão de impulsos eléctricos que codificam informação

A forma mais simples de codificar é associar um nível de voltagem l bi á ia um valor binário

Esta tipo de codificação designa‐se por Baseband

Intro1‐51

Largura de Banda e Taxa de TransmissãoLargura de Banda B: (ou Taxa de Modulação) frequência máxima do sinal que um dado meio pode transmitir

Medida em Hertz (ciclos por segundo)Medida em Hertz (ciclos por segundo)Também se designa por baud rate

Taxa de Transmissão T: é o número de bits de informação que se podem transmitir num canalpodem transmitir num canalMedida em bits por segundo (bps)

A relação entre a taxa de transmissão T teoricamente possível e a largura de banda B é dada pelo do Teorema de Nyquist:g p yq

T = 2B.log2 KEm que K é o número de valores diferentes de estados usados para codificar dados• Se K=2 ‐> T = 2B log2 2 = 2B x 1 = 2B• Se K=4 ‐> T = 2B log2 4 = 2B x 2 = 4B• Se K=8 ‐> T = 2B log2 8 = 2B x 3 = 6B

Exemplo: num meio com largura de banda de 1 MHz utilizando 32Exemplo: num meio com largura de banda de 1 MHz utilizando 32 estados de codificação podem‐se transmitirT = 2 x 106 x 5 = 10 x 106 bps (10 Mb/s)

Intro1‐52

Largura de Banda e Taxa Transmissão: Exemplo

Exemplo: Sinal Baseband com 1200 Hz de Largura de Banda

0 1 0 1 1 0 1 0

┌─-──┐ ┌──────────┐ ┌────┐│ │ │ │ │ │

───┘ └────┘ └────┘ └──────┘ └────┘ └────┘ └───1 bit (2 estados) por elemento => Largura de Banda 1200 Hz

Taxa de Transmissão 2400 bps

00 01 10 11 01 10 10 00┌───┐

┌───┘ │ ┌──────┐┘ └ ┘ │┌───┘ └───┘ │

───┘ └───2 bits (4 estados) por elemento => Largura de Banda 1200 Hz

Taxa de Transmissão 4800 bpsTaxa de Transmissão 4800 bps

Intro1‐53

Codificação de DadosPara codificar os dados podem ser utilizadas múltiplas opções em função da largura de banda do meio físico

Intro1‐54

Source: “Computer Networks: An Open Source Approach”, by Lin/Hwang/Baker

Limitações do Meio Físicoç

Na realidade, a atenuação do valor eléctrico, a largura de banda e ruído do meio têm influência na forma do sinalbanda e ruído do meio têm influência na forma do sinal recebido

Intro1‐55

Ruído e Taxa de Transmissão

Na prática, o ruído do canal de transmissão é o maior factor de limitação da taxa de transmissão

O ruído mede‐se pela relação com o sinal transmitido• Relação Sinal/Ruído expressa em dB

O limite máximo da capacidade de um canal é determinado pelo teorema de Shannon

C B l (1 S/N)C = B.log2(1 + S/N)C é a capacidade máxima do canal em bpsB é a largura de banda em HzS/N é l ã i l íd l t lS/N é a relação sinal ruído em valor percentualGeralmente a relação S/N é expressa em dB• S/N (dB) = 10 x log10 (S/N)

Exemplo: valor limite de taxa de transmissão numa linha telefónicaExemplo: valor limite de taxa de transmissão numa linha telefónicaLargura de banda: 3 KHzRelação S/N de 30 dB [ou seja 10.log10(1000)]C = 3 000 x log (1 + 1000) = 3 000 x 9 97 = 29 900 bpsC = 3.000 x log2(1 + 1000) = 3.000 x 9,97 = 29.900 bps

Intro1‐56

Baseband vs. Broadband

A forma mais básica de transferir informação é transmiti‐la codificada sob forma de impulsos eléctricosla codificada sob forma de impulsos eléctricos directamente no meio físico => Baseband

Para minimizar os efeitos do ruído e da atenuação nosPara minimizar os efeitos do ruído e da atenuação nos meios físicos, os sinais não são transmitidos sob a forma de impulsos eléctricos

Utiliza‐se um sinal periódico de frequência muito mais elevada designado por onda portadora (carrier)

O l d i l B b d é tili d difi i lOs valores do sinal Baseband é utilizado para modificar o sinal periódico através de uma técnica designada por modulação

A utilização de uma portadora modulada com o sinal ç pbásico designa‐se por transmissão em Broadband

Intro1‐57

Modulação DigitalExistem várias formas de modular um sinal uma portadora com um sinal Baseband Sourc

As técnicas de Modulação Digital mais correntes são: Amplitude Shift Keying (ASK).

F Shift K i (FSK)

ce: “Com

puter

Frequency Shift Keying (FSK).

Phase Shift Keying (PSK).

Quadrature Amplitude Modulation (QAM).

r Netw

orks: AnQuadrature Amplitude Modulation (QAM). n O

pen Sourcee Approach”, bby Lin/H

wang/

Intro1‐58

/Baker

Diagramas de ConstelaçãoUm Diagrama de Constelação permite representar os vários estados da modulação digital sob forma de pontos

í l t i ét i

Sourc

num círculo trigonométrico

Cada ponto indica os valores da fase e amplitude do sinal correspondente

ce: “Com

putercorrespondente r Netw

orks: Ann O


wang/

Intro1‐59

/Baker

Técnicas de Transmissão de Dados

Modulação AnalógicaÉ a operação que consiste em codificar variações de valor usando modificações contínuas das características de um sinal analógico, com uma frequência básica adequada à transmissão num dado meio.Ex: alterar as características de uma portadora sinusoidal de alta p"frequência" de valor próximo do ponto médio da banda da fala humana (1700 ou 1800 Hz).Uma portadora sinusoidal é caracterizada por:Uma portadora sinusoidal é caracterizada por:

Amplitude, Frequência e Fase.

As Técnicas de Modulação Analógica mais correntes:Amplitude Modulation (AM)Amplitude Modulation (AM).Frequency Modulation (FM).Phase Modulation (PM).E i i i õ ã d â bi dExistem mais variações mas não as vamos descrever no âmbito desta cadeira

Intro1‐60

Técnicas de Transmissão de Dados

Modulação DigitalÉ a operação que consiste em codificar variações de valor usando modificações discretas das características de um sinal analógico com uma frequência básicadiscretas das características de um sinal analógico, com uma frequência básica adequada à transmissão num dado meio.

A modulação digital pode ser assimilada à conversão Digital/Analógica e a desmodulação à conversão Analógica/Digitaldesmodulação à conversão Analógica/Digital

As mudanças efectuadas na portadora são escolhidas entre um número finitode símbolos de codificação distintos, o alfabeto de modulação

As técnicas de Modulação Digital mais correntes:

Amplitude Shift Keying (ASK).

Frequency Shift Keying (FSK).Frequency Shift Keying (FSK).

Phase Shift Keying (PSK).

Quadrature Amplitude Modulation (QAM).

Os diagramas de constelação representam as várias codificações possíveis no plano complexo

Exemplo de representação da codificação 8‐PSK

Intro1‐61

p p ç ç

Modulação em Amplitude (AM ou ASK)Neste tipo de modulação modifica‐se o valor da amplitude de um sinal de acordo com o valor a codificar (0 ou 1), mantendo‐se inalterada a frequência e a fase.

Seguidamente este sinal codificado é adicionado à portadora de transmissão que é g p qenviada.

O receptor efectua o processo inverso recuperando a informação enviada.

Esta modulação é sensível aos vários tipos de ruído obrigando à emissão deEsta modulação é sensível aos vários tipos de ruído obrigando à emissão de maiores potências.

0 > valor A0 -> valor A1 -> valor B

Intro1‐62

Implementação Binary Amplitude Shift Keying

Esquema do BASKSourcce: “C

omputerr N

etworks: A

n

Diagrama de Constelação associado

n Open Sourcee A

pproach”, bby Lin/Hw

ang/

Intro1‐63

/Baker

Modulação em Frequência (FM ou FSK)Neste tipo de modulação, altera‐se a frequência de acordo com os valores do sinal digital, mantendo‐se inalterável a amplitude e a fase.

Por exemplo, segundo o CCITT, atribui‐se a frequência superior ao zero (0),Por exemplo, segundo o CCITT, atribui se a frequência superior ao zero (0), alterando‐se a frequência para um valor inferior quando se tiver de modular o um (1); seguidamente este sinal codificado é adicionado à portadora de transmissão que é enviada.q

O receptor efectua o processo inverso recuperando a informação enviada, tal como na modulação AM.

Esta modulação resiste melhor a perturbações tendo um bom rendimento deEsta modulação resiste melhor a perturbações, tendo um bom rendimento de modulação/demodulação, assim como simplicidade na tecnologia necessária.

0 -> freq. baixa1 -> freq. alta

Intro1‐64

Implementação Binary Frequency Shift Keying

Esquema do BFSK Sourcce: “Com

puterr Netw

orks: Ann O


wang/

Intro1‐65

/Baker

Modulação em Fase (PM ou PSK)Neste tipo de modulação é a fase da portadora que varia de acordo com as transições dos valores digitais a codificar, mantendo‐se inalterável a amplitude e a frequênciaO sinal codificado é adicionado à portadora de transmissão que é enviada. O receptor efectua o processo inverso recuperando a informação enviada.Tem também um bom rendimento de modulação sofrendo baixa influência dos ruídosruídos.

00 <==> Fase de 45º01 <==> Fase de 135º11 <==> Fase de 225º10 <==> Fase de 315º

Intro1‐66

Implementação Quadrature Phase Shift Keying

Esquema do QPSKSourcce: “C

omputerr N

etworks: A

n

Diagrama de Constelação associado

n Open SourceDiagrama de Constelação associado e A

pproach”, bby Lin/Hw

ang/

Intro1‐67

/Baker

Resumo Técnicas de Modulação

(a) Um sinal binário

(b) Modulação de Amplitude

(c) Modulação de Frequência

(d) Modulação de Fase

Intro1‐68

http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_modulation

Transmissão DigitalC i t t iti i f ã b f d i lConsiste em transmitir a informação sob a forma de impulsos correspondendo a uma discretização de um sinal digital

Taxa de erros muito inferior à transmissão analógica.Não existem erros acumulados (Os sinais ou são 0 ou são 1).Voz, Dados, Música e Vídeo podem ser multiplexados e enviados juntos.

Utiliza‐se um CODEC (Coder/Decoder)Exemplo da Codificação em 8 bits de um sinal de 4 Khz

Teorema de Nyquist: T = 2B.log2 KA taxa de transmissão necessária é deA taxa de transmissão necessária é de• 4000 x 2 x log 28 =8000 X 8 ==> 64 Kbps

Técnicas mais conhecidasPCM Pulse Code ModulationPCM ‐ Pulse Code ModulationDPCM ‐ Differential Pulse Code Modulation.• Codifica as diferenças entre os valores dos valores em instantes sucessivos.• 5 bits em vez de 8 bits• 5 bits em vez de 8 bits • Modulação Delta

Intro1‐69

Meios FísicosMeios Físicos de Transmissão

Realizam a transferência dos sinais (eléctricos, ópticos ou ondas electromagnéticas) contendo a informação devidamente codificada.

Meios fechados:Meios fechados: Os sinais propagam‐se de forma contida em meio fechado: cobre, fibra, cabo coaxial

Meios abertos: Os sinais propagam‐se livremente: ondas de rádio, WiFi R d C l lWiFi, Redes Celulares.

Existe uma grande variedade de meios físicos que obedecem a normas eléctricas e/ouque obedecem a normas eléctricas e/ou electrónicas

Intro1‐70

Meios Físicos

Bit: unidade de informação binária transmitida entre um emissor e um receptor

Meio físico: o que permite criar uma ligação entre o i temissor e o receptor

Meios fechados:O i i d f tid i f h dOs sinais propagam‐se de forma contida em meio fechado: cobre, fibra, cabo coaxial

Meios abertos:e os abe tosOs sinais propagam‐se livremente, ex.: ondas de radio

Intro1‐71


A Internet

A periferia da rede



Transmissão de Dados e Meios Físicos

Níveis de Protocolos e Modelos de serviço

Intro1‐72

Níveis de ProtocoloAs redes são um domínio complexo!

Inúmeros componentes:Inúmeros componentes:

Hosts

RoutersRouters

Múltiplos meios físicos

Aplicaçõesp ç

Protocolos

Hardware, software

Existe assim a necessidade de compartimentar a complexidade em níveis de abstracção distintos

Cada nível só trata os problemas relativos aos serviços que tem de prestar baseados nos recursos que tem de gerir

Intro1‐73

Analogia: transporte aéreo

As várias operações necessárias à realização do transporte aéreo podem ser decompostas nas seguintes camadas

Bilhete (compra)

Bagagem (check‐in)

Bilhete (entrega)

Bagagem (levantar)

Gates (embarque) Gates (desembarque)

Pista de voo

Pilotagem

Pista de aterragem

TaxiingPilotagem Taxiing

Navegação aérea

Intro1‐74

Camadas do Transporte Aéreo

ticket (purchase)

baggage (check)

ticket (complain)

baggage (claim

ticket

baggage

gates (load)

runway (takeoff)

airplane routing airplane routing airplane routing

gates (unload)

runway (land)

airplane routing

gate

takeoff/landing

airplane routingairplane routing

departureairport

arrivalairport

intermediate air-trafficcontrol centers

airplane routing airplane routing airplane routing airplane routing

Uma série de Níveis de ServiçoQue gerem recursos e resolvem problemas específicosCada nível presta um serviço ao nível superior e utiliza serviços do nível inferior

Intro1‐75

Utilidade da Decomposição em Camadas

Permite modelar sistemas complexos:Uma estrutura que permite identificar as relações existentes entre os componentes de um sistema

M d l d f ê i d f ilitModelo de referência em camadas facilita entendimento

A modularização facilita a manutenção e a actualização doA modularização facilita a manutenção e a actualização do sistema

As mudanças de implementação dos serviços de uma camada nãoAs mudanças de implementação dos serviços de uma camada não têm impacto no resto do sistema

Desde que a convenções e as normas intercamada sejam sempre it drespeitadas

Intro1‐76

O modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection)

Intro1‐77

Pilha Protocolar OSINí l A li ã (A li ti L ) C i ã d i t i t i F iNível Aplicação (Application Layer): Comunicação do sistema com o meio exterior. Fornece meio para os processos de aplicação acederem ao meio

VT, FTAM, MHS, X500, CMIP, X400

Ní l A t ã (P t ti L ) F i d t ã d i f ãNível Apresentação (Presentation Layer): Fornece serviços de representação da informação na sua comunicação, nomeadamente formatação de dados, conversão de códigos e sintaxe e encriptação de dados

Nível Sessão (Session Layer): Fornece os meios necessários aos processos cooperantes para organizar e sincronizar o diálogo e gerir as suas trocas de dados

Nível Transporte (Transport Layer): Transferência Transparente de Dados, Garantindo que é feita da p ( p y ) p , qforma mais fiável e económica possíveis e com a qualidade exigida

Nível Rede (Network Layer): Encaminhamento de Pacotes da origem até ao seu destinoX25

Nível Lógico (Logic Link Layer): Meios funcionais e procedimentos para estabelecer, manter e terminar ligações lógicas e transferir Frames através de uma ou mais ligações físicas

HDLC, ATM

Nível Físico (Physical Layer): Fornece meios mecânicos eléctricos funcionais e procedimentos paraNível Físico (Physical Layer): Fornece meios mecânicos, eléctricos, funcionais e procedimentos para activar, manter e desactivar ligações físicas (Circuitos) para transmissão de Bits através de um meio Físico

V24, V21, X21,

Intro1‐78

Pilha Protocolar OSI Simplificada

Nível Aplicação: implementa as aplicações distribuídasdistribuídas

FTP, SMTP, HTTP

Nível Transporte: transferência de dados application

TCP, UDP

Nível Rede: encaminhamento de datagramas da origem ao destino

transport

origem ao destinoIP, routing protocols

Nível Ligação: transferência de dados entre

network

li kelementos de rede distintosPPP, Ethernet

Nível Físico: sinais nos meios físicos

link

physicalNível Físico: sinais nos meios físicos physical

Intro1‐79

O Modelo TCP/IP/

Intro1‐80

Comparação dos Modelos OSI e TCP/IPÁrea ou Tópico OSI TCP/IP

Número de Níveis Sete níveis ( Físico a Aplicação ) Cinco níveis ( Não existem os níveis sessão e apresentação)

Ti d li ã S t b í l d i t d S t ã i t d à li ãTipos de ligaçãoOrientadas à ligaçãoNão orientadas à ligação

Suporta ambos no nível rede e apenas orientadas à ligação no nível transporte.

Suporta apenas não orientadas à ligação no nível rede e ambos no nível transporte.

Tipos das normas “De Jure” “De facto”

Níveis superiores Protocolos acessíveis às várias aplicações, permitindo a partilha, especificação ao nível dos próprios objectos, permitindo o estabelecimento de comunicações totalmente b t ã d lí

Protocolos separados, abrangendo os três níveis superiores, correspondentes cada um deles a um serviço.

Não efectua conversões durante a i ãabertas com conversão de línguas e

objectos.comunicação.

Organização 1. Desenho complexo com definição quer de serviços quer de protocolos e interfaces.

2 O i t d d i i ti d

1. Desenho minimalista - protocolos o mais simples possível.

2 O i t d i t li ã2. Orientado para redes nacionais a partir das quais é efectuada a interligação com outros países.

3. Orientado para a partilha, standardizando todos os aspectos SAP, PDU e procedimentos.

2. Orientado para a interligação e escalabilidade.

3. O nível rede oferece serviços de encaminhamento.

4. Não define protocolos abaixo do IP, p p4. Modelo aberto onde encaixam uma grande

diversidade de protocolos e serviços.5. Processo de normalização complexo e formal.6. Especificações formais de testes de

conformidade

putilizando qualquer serviço de rede para transporte dos pacotes IP.

5. Processo de normalização versátil, rápido, aberto e participativo.

6 Utiliza as implementações com

Intro1‐81

conformidade. 6. Utiliza as implementações com certificação.

message

origem

li tiMEncapsulação

messagesegment

datagram

applicationtransportnetworkHtHn M

Ht M

Mp ç

frame linkphysical

HtHnHl M

linkHtHnHl M HtHHl Mlinkphysical

tnl HtHnHl M

switch

d idestino

applicationtransportHt M

M

networklink

physicalHtHnHl M

HtHn M

HtHnHl M

HtHn M

transportnetworklink

physical

HtHnHl M

HtHn M

t

router

Intro1‐82

physical

li timessage MEncapsulaçãoorigem

applicationtransportnetworkHtHn M

segment Ht

datagram

message M

Ht M

Hn

p ç

linkphysical

link

HtHnHl Mframe

linkphysical

switch

d i

applicationtransportHt M

M

networklink

physicalHtHnHl M

HtHn M

HtHn M

destino

transportnetworklink

physical

HtHnHl M

HtHn M

t

router

Intro1‐83

physical

Introdução: SumárioIntrodução: Sumário

Abordámos uma série de tópicos: Resultados:p

Overview da Internet

Noções de protocolo

Resultados:

Contexto, visão global, “feeling” sobre redesNoções de protocolo

Internet

Periferia

g

Mais detalhe e profundidade nos Periferia

Infra‐estrutura

Comutação de circuitos vs

próximos capítulos

Comutação de circuitos vs. Comutação de pacotes

Acesso e meios físicosAcesso e meios físicos

Níveis e modelos de serviço

Intro1‐84

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