Fundamentos de Redes de Computadores1 Motivação: Por que estudar Redes? Porque os sistemas da sociedade estão baseados em computação e comunicação – são.

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1 Fundamentos de Redes de Computadores1 Motivação: Por que estudar Redes? Porque os sistemas da sociedade estão baseados em computação e comunicação – são inúmeros os serviços disponíveis exclusivamente na Internet e a cada dia surgem demandas mais sofisticadas. Contam-se os endereços IP que tem nomes atribuídos a eles (Fonte: ftp.isc.org/www/survey/ reports/current/hosts.p ng)

2 Fundamentos de Redes de Computadores2 Crescimento da Internet (2) Fonte: www.internetworldstats.com/stats.htm

3 Fundamentos de Redes de Computadores3Antes   CPD: Centro de Processamento de Dados – centralizado com computadores de grande porte.   Início da década de 80: surgimento dos PCs. (ainda não em rede)   Década de 90: Computadores autônomos interconectados;   Internet tornou-se o componente central da infra-estrutura mundial de telecomunicações: Rede de Redes.   Dobra a cada 15 meses.

4 4Hoje Estão na Internet:   Praticamente todos os sistemas públicos;   Sistemas comerciais de maneira cada vez mais consistente (e-commerce, m-commerce).   Sistemas de comunicação pessoal e empresarial (e-mail, video-conferência,...);   Sistemas bancários.   Lazer e informação... Com cloud computing (Data Center = CPD?), onde se “centralizam” aplicações, plataformas e infra-estrutura, pressupõe-se uma rede particularmente forte (robusta, segura)

5 5 Hoje e Amanhã   Smart cities (smart grid, smart applications...);   IoT (Internet das coisas): termo usado por Kevin Ashton: “If we had computers that knew everything there was to know about things - using data they gathered without any help from us - we would be able to track and count everything, and greatly reduce waste, loss and cost… The Internet of Things has the potential to change the world, just as the Internet did. Maybe even more so.” (1999).   Big Data: a integração dos modelos de BigData com a infraestrutura da empresa é elemento crítico para obter eficiência

6 Fundamentos de Redes de Computadores6 Objetivo da Introdução Obter contexto, terminologia, “sentimento” sobre redes. Apresenta-se um panorama geral das redes e da Internet, incluindo aspectos de hardware e software. Apresenta-se princípios fundamentais de arquitetura Maior profundidade e detalhes serão vistos ao longo do curso

7 Fundamentos de Redes de Computadores7 Roteiro 1. Usos de Redes de Computadores 2. Hardware de Rede 3. Software de rede 4. Modelos de Referência 5. A Internet

8 Fundamentos de Redes de Computadores8 Aplicações Comerciais   Cliente/Servidor   Servidores: Poderosos Computadores onde os dados são armazenados;   Clientes: Máquinas mais simples que acessam os dados remotos. Um servidor cuida de um número grande de clientes Empresas maiores reúnem as redes através de VPNs – Virtual Private Networks.

9 Fundamentos de Redes de Computadores9 Aplicações Domésticas   Não-Hierárquica (Peer-to-peer)   Indivíduos constituem grupo livre que podem se comunicar com outros participantes do grupo;   Exemplo: Napster, KaZaA (neoNapster). Em 2000 teve 50 milhões de fãs, caracterizando a maior violação de direitos autorais da história.   Messenger, twitter, facebook, wiki, leilão on-line, IPTV, jogos;

10 Fundamentos de Redes de Computadores10 Usuários Móveis   Há distinção entre redes sem fio fixas e redes sem fio móveis;   Smartphones: convergência entre telefonia e internet.   Mobile Commerce: m-commerce; (Bitcoins payment via celular?)   Redes de Sensores;   Computadores Embarcados (“bat- relógio”). Computação ubíqua: computação embutida no dia-a-dia => redes sem fio cada vez mais importantes.

11 Fundamentos de Redes de Computadores11 Roteiro 1. Usos de Redes de Computadores 2. Hardware de Rede 3. Software de rede 4. Modelos de Referência 5. A Internet

12 Fundamentos de Redes de Computadores12 Hardware - Tecnologias Há 2 tipos de tecnologias de transmissão:   Links de difusão (Broadcast)   Um canal de comunicação compartilhado por todas as máquinas da rede – pode incluir multicast;   Links Ponto-a-Ponto   A rede é feita de conexões entre pares de máquinas. Normalmente redes menores, geograficamente próximas tendem a usar broadcast e redes maiores tendem a usar ponto-a-ponto.

13 Fundamentos de Redes de Computadores13 Escala

14 Fundamentos de Redes de Computadores14 PANs - Personal Area Networks Redes que se comunicam com o alcance de uma pessoa. Tipicamente para conectar um computador a seus dispositivos periféricos. Bluetooth – projeto de rede pessoal sem fio mais comum. O PC é o mestre, os dispositivos os escravos. O mestre diz aos escravos que endereços usar, que frequência usar, quando acessar o meio e tudo o mais necessário para comunicação.

15 Fundamentos de Redes de Computadores15 LAN – Local Area Networks Características que a distinguem das demais:   Privativas em um prédio ou campus de poucos quilômetros de tamanho – no pior caso o tempo de transmissão é conhecido;   Tecnologia de transmissão: normalmente um switch ao qual as máquinas se conectam com alta velocidade e baixa taxa de erros ou um ponto de acesso (AP) no caso de redes sem fio do tipo WiFi;   Redes empresariais tendem a configurar VLANs (Virtual LANs) – a rede física não reflete a estrutura organizacional. Redes domésticas crescerão na medida da disponibilidade dos serviços úteis e baratos. (Serão sem fio?)

16 Fundamentos de Redes de Computadores16 MAN – Metropolitan Area Networks Características:   Versão aumentada da LAN – normalmente usa tecnologia similar – cobre grupo de escritórios; pública ou privada   Rede de TV a cabo. Operadoras começaram a oferecer serviços de Internet em partes não utilizadas do espectro.   WiMax

17 Fundamentos de Redes de Computadores17 WAN – Wide Area Networks Grandes áreas geográficas – país ou continente; Os hosts estão conectados por uma sub-rede de comunicação que consiste dos componentes:  linhas de transmissão que movem os bits entre as máquinas;  elementos de comutação – computadores especializados que conectam linhas de transmissão (roteadores). Surgem ISPs (Internet Service Providers) Exps: Redes de satélites, Redes de celular.

18 18A Camada Física Suportes de Transmissão   Vários meios físicos podem ser utilizados para suportar a transmissão. Cada um com seu delay, custo, facilidade de instalação, manutenção, largura de banda, etc.   Suportes mais comuns:   Meios Magnéticos (DVDs, fitas) ->caminhonete com fitas: menor custo, maior capacidade de transmissão (Custo fita = meio centavo por gigabyte);   Par trançado;   Cabo coaxial; Meios guiados   Fibra óptica;   Wireless – Rádio Terrestre   Satélite.

19 19A Camada Física Wireless LAN O princípio utilizado é a transmissão através de ondas eletromagnéticas que se propagam no ar. O número de oscilações por segundo é a frequência, medida em Hz. O espectro eletromagnético:

20 20A Camada Física Bandas ISM ISM – Industrial, Scientific, Medical – Bandas reservadas pelos governos para uso sem licença, regulando a potência utilizada. (a) Banda ISM nos EUA (a) Banda ISM nos EUA (b) Banda ISM no Brasil (b) Banda ISM no Brasil

21 21A Camada Física Bandas ISM 2,4GHz 2,4GHz – usadas pelo 802.11b/g 5 GHz 5 GHz – usadas pelo 802.11ac - Ambas usadas pelo 802.11n Espaços vazios em 700MHz autorizados pelo FCC Espaços vazios em 700MHz autorizados pelo FCC (Federal Communications Commision) em 2009. (Federal Communications Commision) em 2009. 60 GHz – (logo antes do infra-vermelho) aberta pelo FCC em 2001 para redes de curta distância. 60 GHz – (logo antes do infra-vermelho) aberta pelo FCC em 2001 para redes de curta distância. Começam a ser fabricados produtos compatíveis. Começam a ser fabricados produtos compatíveis.

22 Fundamentos de Redes de Computadores22 RNP: RNP: infra- estrutura de rede Internet nacional para a comunidade acadêmica

23 Fundamentos de Redes de Computadores23 Roteiro 1. Usos de Redes de Computadores 2. Hardware de Rede 3. Software de rede 4. Modelos de Referência 5. A Internet

24 Fundamentos de Redes de Computadores24 Comutação de Pacotes   A mensagem é dividida em pacotes – mensagens de tamanho menor - cada um com seu número de seqüência.   Com esta divisão da mensagem em pacotes:   Ninguém monopoliza a rede por muito tempo;   Ao perder um pacote só este deve ser retransmitido, não a mensagem inteira. Kleinrock em 1964 publicou o primeiro trabalho sobre comutação de pacotes. (Donald Davies? Larry Roberts? Baran?) Em 1969 supervisionou a primeira mensagem recebida no primeiro nó na Universidade da Califórnia.

25 Fundamentos de Redes de Computadores25 Comutação de Pacotes   Roteadores normalmente interligados por rede ponto- a-ponto (store-and-forward ou comutação de pacotes): o pacote é recebido por roteador intermediário, armazenado e encaminhado quando a linha solicitada for liberada.

26 Fundamentos de Redes de Computadores26 Atrasos e Perdas em Redes de Comutação de Pacotes (Kurose) - 1 Calcular o atraso no nó A (roteador) Atraso de Processamento: Examinar cabeçalho do pacote e determinar para onde direcioná-lo; verificar erros (da ordem de microsegundos ou menos). Direcionar a fila para roteador B. Atraso de Fila: depende da intensidade e natureza do tráfego – se fila vazia, atraso zero. (da ordem de micro a milisegundos).

27 Fundamentos de Redes de Computadores27 Atrasos e Perdas em Redes de Comutação de Pacotes (Kurose) - 2 Atraso de Transmissão: tempo para “empurrar” bits para o enlace. Suponha FIFO – Considerar: R = largura de banda do link (bps) L = tamanho do pacote (bits) Tempo para enviar bits ao link = L/R (da ordem de micro a milisegundos). Atraso de Propagação: tempo para propagar o bit do inicio do enlace ao fim. Considerar: d = comprimento do link físico s = velocidade de propagação no meio (2x10 8 a 3x10 8 m/s – velocidade da luz em um meio) Atraso de propagação = d/s. (em WANs da ordem de milisegundos)

28 Fundamentos de Redes de Computadores28 Carro = bit; caravana = pacote  Carros se “propagam” a 100 km/h  Pedágios levam 12 s para atender um carro (TTransmissão). O primeiro carro aguarda os outros 9 antes de passar. Quanto tempo levará até a caravana ser alinhada antes do 2 o pedágio?   Tempo para “empurrar” a caravana toda pelo pedágio até a estrada = 12. 10 = 120 s = 2 min (TTransmissão)   Tempo para o último carro se propagar do 1 o ao 2 o pedágio: 100 km/(100 km/h) = 1 h = 60 min (TPropagação) Resposta: 62 minutos pedágio caravana de 10 carros 100 km Analogia da caravana (Kurose)

29 Fundamentos de Redes de Computadores29 Atrasos de Fila (Kurose) O atraso mais complicado e interessante é o atraso de fila, varia de pacote a pacote: se 10 pcs chegarem a uma fila o primeiro não espera, e o último espera 9 pcs. Usa-se estatística. R = largura de banda do link (bps) L = tamanho do pacote (bits) (simplificação: todos tem mesmo tamanho) a = taxa média de chegada de pacotes (pcs/sec) Taxa média com que os bits chegam a fila La bits/sec La/R Intensidade de tráfego = La/R La/R ~ 0: atraso médio de fila pequeno La/R -> 1: atraso se torna grande La/R > 1: mais trabalho chega do que a capacidade de transmissão. O atraso médio cresce indefinidamente!

30 Fundamentos de Redes de Computadores30 Largura de Banda Largura de Banda (Definição dos eletrônicos): Faixa de freqüências transmitidas sem serem fortemente atenuadas. Propriedade física do Meio de Transmissão medida em Hz. Largura de Banda (Definição dos computeiros): taxa de dados máxima de um canal, medido em bps. É o resultado final do uso da largura de banda analógica.

31 Fundamentos de Redes de Computadores31 Software de Rede   O software permite que a comunicação se efetive.   Protocolos: Conjunto de Regras e Convenções que permite a troca de informações. Exemplo: Saudar uma moça americana e a Rainha da Inglaterra exige convenções diferentes.   Protocolos estruturados em camadas ou níveis: permite flexibilidade e independência na implementação das tarefas.

32 Fundamentos de Redes de Computadores32 Comunicação em Níveis Exemplo: Conversa de filósofos Nível 3 Filósofo A: urdo e inglês Filósofo B: Chinês e Francês Nível 2 Tradutores conversam em Holandês Nível 1 Secretárias transmitem a mensagem.

33 Fundamentos de Redes de Computadores33 Pilha de Protocolos Protocol Stack – lista de protocolos usados por um certo sistema, um protocolo por nível. A maioria dos níveis deve conter:   Mecanismo para identificar origem/destino – alguma forma de endereçamento;   Regras de transferência (simplex, half, full-duplex);   Controle de erros – os circuitos não são perfeitos;   Sequenciamento das mensagens – a ordem não necessariamente é preservada;   Processamento de mensagens arbitrariamente longas.   Controle de fluxo: evitar que o tx sature o rx.   Qualidade de serviço: mecanismos para atender os requisitos das diferentes aplicações.   Confidencialidade e integridade.

34 Fundamentos de Redes de Computadores34 Fluxo de Informações entre níveis Cada nível acrescenta um cabeçalho com informações de controle. A comunicação entre processos pares é horizontal Note que no nível 3 a mensagem que chegou ultrapassou o tamanho limite e teve que ser quebrada em duas.

35 Fundamentos de Redes de Computadores35 Tipos de Serviços Os níveis podem oferecer 2 tipos de serviço aos níveis superiores:   Orientado a conexão – semelhante ao sistema telefônico: Estabelece a conexão (pode-se negociar parâmetros); Utiliza a conexão estabelecida; Libera a conexão.   Sem conexão - semelhante ao sistema postal: Cada mensagem tem o endereço de destino completo e cada uma é roteada pelo sistema independentemente de outra mensagem. Assim é possível que as mensagens cheguem fora de ordem. Chamado de serviço de datagrama. Serviço de datagrama com confirmação = carta registrada. Comparação envolve custo (banda e tempo) x confiabilidade.

36 Fundamentos de Redes de Computadores36 Exemplos de Serviço Variações do Serviço Orientado a conexões:   Sequências de Mensagens: limites das mensagens são preservados;   Fluxo de Bytes: Sem limites de mensagens - duas mensagens de 1024 bytes podem ser agrupadas como um fluxo de 2048 bytes. Conexão não confiável: não perde tempo com confirmações

37 Fundamentos de Redes de Computadores37 Protocolos e Serviços Protocolos: Regras que governam o formato e significado de mensagens trocadas entre entidades parceiras dentro de um nível. (Horizontal). Serviços: Conjunto de operações (primitivas) que um nível oferece ao nível superior. Refere-se a interface entre dois níveis, com o nível inferior sendo o provedor de serviço e o nível superior o usuário do serviço (Vertical). Sendo desacoplados, é possível mudar um protocolo e manter os serviços. Obs: Hoje se pesquisa cross-layer

38 Fundamentos de Redes de Computadores38 Roteiro 1. Usos de Redes de Computadores 2. Hardware de Rede 3. Software de rede 4. Modelos de Referência 5. A Internet

39 Fundamentos de Redes de Computadores39 Modelos de Referência   OSI (Open System Interconnection) – década de 70 - proposta desenvolvida pela ISO (International Standards Organization) que deu o primeiro passo rumo à padronização internacional dos protocolos; modelo bastante geral e ainda válido, embora os protocolos sejam raramente usados;   TCP/IP – Surgiu da necessidade prática de interligar redes na ARPANET (vovó de todas as redes). DoD, patrocinador da ARPANET queria uma arquitetura que mantivesse as conexões entre origem de destino mesmo em caso de perda da sub-rede; o modelo não é muito utilizado, mas os protocolos têm uso geral.

40 Fundamentos de Redes de Computadores40 Princípios do Modelo OSI Cada nível deve realizar uma função bem definida; As fronteiras devem ser escolhidas para minimizar o fluxo de informação entre as interfaces; A função de cada nível deve ser escolhida visando a definição de protocolos padronizados internacionalmente. O número de níveis deve ser grande o suficiente para distinguir funções que não precisem ficar juntas, e pequeno o suficiente para que a arquitetura não se torne não manipulável.

41 Fundamentos de Redes de Computadores41 Ilustração do Modelo OSI   Composto de 7 níveis:

42 Fundamentos de Redes de Computadores42 IEEE 802 IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers.   Os padrões da família IEEE 802 são uma restrição ao modelo OSI, orientados a redes locais.   Buscou-se correspondência com modelo OSI/ISO, interconexão de equipamentos com custo moderado, implantação a custo moderado.

43 Fundamentos de Redes de Computadores43 Correspondência OSI - IEEE 802

44 Fundamentos de Redes de Computadores44 Modelo TCP/IP   O nome é derivado dos 2 principais protocolos:   IP (Internet Protocol): entregar pacotes– roteamento evitando congestionamentos   TCP/UDP (Transmission Control Protocol / User Datagram Protocol): Garantem a comunicação entre parceiros fim-a-fim. TCP – protocolo orientado a conexão UDP – Protocolo sem conexão (não confiável).   O modelo TCP/IP foi definido pela primeira vez por Cerf e Kahn (1974) depois melhorado e definido como padrão da Internet.

45 Fundamentos de Redes de Computadores45 Correspondência TCP/IP - OSI Modelo TCP/IP com alguns protocolos que serão estudados

46 Fundamentos de Redes de Computadores46 Modelo Híbrido Modelo de Referência adotado no curso CES-35

47 Fundamentos de Redes de Computadores47 Roteiro 1. Usos de Redes de Computadores 2. Hardware de Rede 3. Software de rede 4. Modelos de Referência 5. A Internet

48 Fundamentos de Redes de Computadores48 Histórico da Internet (1) 1950 – No auge da Guerra Fria, o DoD queria rede de controle e comando capaz de sobreviver a uma guerra nuclear; 1957 – União Soviética lançou o Sputnik, primeiro satélite artificial antes do EUA. Resposta: criação da ARPA (Advanced Research Projects Agency) Paul Baran desenvolveu modelo robusto distribuído

49 Fundamentos de Redes de Computadores49 Histórico da Internet 1967 – Comutação de Pacotes, idéia anteriormente descartada, deu origem à ARPANET. Abriu-se concorrência para a construção da sub-rede (chegaram 12 propostas). 1969 – Entrou no ar uma rede experimental com 4 nós que crescia rapidamente. Para fazer parte da rede era necessário contrato de pesquisa com o DoD... 1972 – ARPANET com 15 nós; 1976 - Criação do protocolo Ethernet;

50 Fundamentos de Redes de Computadores50 Histórico da Internet - 2 Fim da década 1970 - Surgiram outros projetos de rede - ARPANET chegou a 200 máquinas. 1983 – TCP/IP era o único protocolo oficial; 1988 - Criação do primeiro vírus que invadiu a ARPANET. (Especialista entediado). Fim da década de 1980 - A NSF (National Science Foundation) desenvolveu a sucessora da ARPANET, a NSFNET aberta a grupos de pesquisa universitários. A primeira WAN TCP/IP; O contínuo crescimento mostrou que o governo não poderia financiar a rede para sempre;

51 Fundamentos de Redes de Computadores51 Histórico da Internet - 2 1990 – Criou-se a ANS (Advanced Network and Services) empresa sem fins lucrativos criada por outras empresas foi a primeira etapa em direção à comercialização. A ANS assumiu a NSFNET e formou a ANSNET; Organizações comerciais participaram pela primeira vez em 1991; 1995 – ANSNET vendida a América Online. Já diversas empresas ofereciam IP comercial. NSF contratou 4 diferentes operadoras de rede para estabelecer um NAP (Network Access Point – ponto de acesso de rede). As operadoras tiveram que competir e assim o conceito de um único backbone padrão foi substituído por uma infra- estrutura competitiva com fins lucrativos.

52 Fundamentos de Redes de Computadores52 Histórico da Internet - 3 Durante a década de 1990 – cresceram as ISPs (Internet Service Provider) que oferecem a usuários individuais a possibilidade de conectar-se a Internet. Surgiu WWW. Criaram protocolos HTTP, HTML, servidores Web, browsers Novo Milênio - Aplicações Multimídia (Aúdio e Vídeo pela Internet), Redes sem Fio e Redes Móveis (Quero me comunicar de qualquer lugar a qualquer hora), Segurança, P2P.

53 Fundamentos de Redes de Computadores53 Quem é quem para padrões Internet Termos importantes:   IAB (Internet Architecture Board): comitê que supervisiona Internet. Coordena:   IRTF: Internet Research Task Force – pesquisas a longo prazo;   IETF: Internet Engineering Task Force – questões de engenharia a curto prazo. Com vários grupos de trabalho.   RFC (Request For Comment): relatórios com resultados das especificações técnicas, estudos e resultados de investigação. Foi a forma idealizada pela ARPA para difundir os resultados de investigação e encorajar a discussão pública de projetos. As RFC's tornaram-se em termos práticos, os registros oficiais de projetos.

54 Fundamentos de Redes de Computadores54 Visão Geral da Internet DSL – Digital Subscriber Line: convertem sinais digitais em analógicos, usam a rede telefônica; conexão discada também usa rede telefônica com menor largura de banda (outro tipo de modem); CMTS – Cable Modem Termination System – aproveitam cabos de TV; FTTH – Fiber to the Home; POP – Point of Presence – onde pacotes entram no ISP; IXP – Internet eXchange Points: onde ISPs trocam tráfego (também chamado NAP – Network Access Points).