Introdução UC: Redes de Computadores Docente: Prof. André Moraes

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1 Introdução UC: Redes de Computadores Docente: Prof. André Moraes
rr-09-r.01 Introdução UC: Redes de Computadores Docente: Prof. André Moraes

2 rr-09-r.01 Créditos Material cedido pelo prof. Rafael Rodrigues.

3 Pré-História das Redes de Dados
E.C.: Identificar características de redes locais e de longa distância Pré-História das Redes de Dados O serviço Pony Express, que funcinou nos Estados Unidos de Abril de 1860 a Outubro de 1861, consistia na entrega de mensagens e encomendas por meio de mensageiros em cavalos. Cada mensageiro cavalgava cerca de 150km e trocava de cavalo a cada 15 km. Este sistema chegava a cobrir 3200 km em cerca de 10 dias. Gravura de 1481. Mensageiros Corredores (Maratona) Com cavalos (Pony Express) Pombos-correio Espelhos Bandeiras

4 Pré-História das Redes de Dados
E.C.: Identificar características de redes locais e de longa distância Pré-História das Redes de Dados Telégrafos óticos Foi desenvolvido nos princípios da década de 1790 pelo engenheiro francês Claude Chappe. Consistia em transmitir letras, palavras e frases através de um código visualizado por meio de lunetas a partir de três réguas de madeira articuladas colocadas na parte alta de um poste ou edifício. A primeira linha de telégrafos óticos data de 1794 e ligava Paris a Lille, distantes 225 quilômetros. Este sistema teve larga difusão no século XVIII e princípios do século XIX na França, Suécia e em outros países. Estes processos óticos de comunicação dependiam das das condições naturais de visibilidade

5 Pré-História das Redes de Dados
E.C.: Identificar características de redes locais e de longa distância Pré-História das Redes de Dados Telégrafo Elétrico Com o advento da eletricidade, tornou-se possível a comunicação por impulsos elétricos usando fios como meio físico. Os telégrafos, aparelhos usados na transmissão de mensagens a partir de códigos, foram inventados pelos americanos Joseph Henry e Samuel Morse, em 1835. Samuel Morse foi o primeiro a introduzir as linhas telegráficas no mundo inteiro, baseadas no sistema de pontos e traços na codificação das mensagens (Código Morse). Dez anos depois da construção da primeira linha telegráfica, quase km de fios atravessavam os Estados Unidos. A invenção afetou profundamente o desenvolvimento do oeste americano, tornou as viagens de trem mais seguras e permitiu que homens de negócios conduzissem suas operações mais lucrativamente.

6 Pré-História das Redes de Dados
E.C.: Identificar características de redes locais e de longa distância Pré-História das Redes de Dados Comunicação com telégrafos Binária, por meio de pontos e traços Equivalência com a tabela do código Morse Mensagens de texto transmitidas estação a estação por meio de uma rede de estações repetidoras Roteamento manual, sendo decidido pelo operador Funcionamento: O operador armazenava (store) a mensagem, encontrava uma nova estação conforme o destino e repassava (forward) a mensagem para a próxima estação. Com o uso de multiplexação por frequência, tornou-se possível o uso de várias mensagens pelo mesmo meio físico. Taxa de transferência, aproximada: 120 bit/s

7 Pré-História das Redes de Dados
E.C.: Identificar características de redes locais e de longa distância Pré-História das Redes de Dados Linhas telegráficas Telégrafo Manutenção – 1862 Suporte em Redes?

8 Pré-História das Redes de Dados
E.C.: Identificar características de redes locais e de longa distância Pré-História das Redes de Dados Telefonia Em 10 de Março de 1876, em Boston, Massachussets, nos Estados Unidos, Alexander Graham Bell patenteou o telefone. O advento do telefone tornou as comunicações mais simples e de acesso ao cidadão comum, algo que não tinha acontecido até então. Mas o serviço de telefonia obteve sua preeminente posição entre os serviços de comunicação de forma gradativa. Por exemplo, mesmo nos Estados Unidos não foi antes de 1910 que os ganhos da indústria de telefonia excederam os ganhos do sistema postal. A principal razão para esta demora foi que o telefone teve que criar sua própria infra-estrutura. Em muitos países, a telefonia foi boicotada em prol dos serviços de correio e telégrafos estatais.

9 Pré-História das Redes de Dados
E.C.: Identificar características de redes locais e de longa distância Pré-História das Redes de Dados Telefonia Em relação a custo, por exemplo, em Nova Iorque, no ano de 1900, uma assinatura mensal para os serviços de telefonia residencial era de U$ 20,00 (U$ 2000 nos valores de hoje) e U$ 40,00 (U$ 4000 em valores atuais) para uso comercial, restringindo o uso apenas para usuários corporativos ou usuários domésticos com grande poder aquisitivo. O custo do serviço começou a baixar de forma mais acentuada a partir da automatização das centrais telefônicas entre 1945 e 1969, e do uso de sistemas digitais na década de 80.

10 Pré-História das Redes de Dados
E.C.: Identificar características de redes locais e de longa distância Pré-História das Redes de Dados CURIOSIDADE: O primeiro comutador automático foi inventado por um usuário de telefone, por sua própria necessidade. Por achar que estava sendo prejudicado no seu negócio de pompas fúnebres, o americano Almon Strowger criou um protótipo que eliminava a necessidade de usar operadores humanos na distribuição das chamadas. Ele foi motivado a inventar o comutador automático porque um competidor da sua cidade estava recebendo todas as chamadas de serviço de pompas fúnebres e ele nenhuma. O motivo era que a filha e a mulher do competidor faziam parte de grupo de operadoras do comutador! Comunicação Telefônica Primeira comunicação telefônica Meio físico (um fio) Half-duplex Ponto a ponto Sem sinal de chamada ou discagem No decorrer do tempo, o desenvolvimento da tecnologia permitiu a transmissão full-duplex tornando possível a conversação telefônica. A expansão do sistema foi avançando com o o uso de comutadores (switches). Com o uso de comutadores, não foi mais necessário a ligação física direta entre os telefones dos usuários. No começo, o mecanismo de comutação era exercido por operadores humanos. Desta forma, o telefone do usuário necessitava apenas de uma ligação com o comutador, ao invés de uma ligação direta com outro telefone.

11 Rede Telefônica Crescimento exponencial do tráfego de dados
E.C.: Identificar características de redes locais e de longa distância Rede Telefônica Crescimento exponencial do tráfego de dados Tráfego de voz estabilizado Tráfego de dados mobile deve ultrapassar o de voz até 2011

12 Comparativo entre as abordagens de redes
E.C.: Identificar características de redes locais e de longa distância Comparativo entre as abordagens de redes Função Rede Telegráfica Rede de Telefonia Rede de pacotes (Internet) Serviço básico ao usuário Transmissão de telegramas Transferência bi-direcional em tempos real de sinais de voz Fluxo de dados de forma confiável entre hosts Forma de comutação Mensagens Circuitos Pacotes Terminal Telégrafo, Teletipo Telefone, Modem Computador Representação da Informação Códigos Morse, Baudot, ASCII Voz analógica e digitalizada (PCM) Qualquer informação em formato binário

13 Comparativo entre as abordagens de redes
E.C.: Identificar características de redes locais e de longa distância Comparativo entre as abordagens de redes Função Rede Telegráfica Rede de Telefonia Rede de pacotes (Internet) Sistema de transmissão Digital sobre vários meios Analógica ou digital sobre vários meios Endereçamento Endereços geográficos Plano de numeração hierárquico Espaço de endereçamento hierárquico Roteamento Manual Selecionado durante o estabelecimento da chamada Cada pacote de forma independente Multiplexação Caracteres e mensagens Circuitos Pacotes

14 Histórico de redes de dados
E.C.: Identificar características de redes locais e de longa distância Histórico de redes de dados A história das redes de computadores é complexa. Ela envolveu pessoas do mundo inteiro nos últimos 35 anos. Uma breve linha do tempo: Anos 40, primeiros computadores, invenção do transístor Anos 50, mainframes em grandes instituições, invenção do circuito integrado Anos 60, uso de terminais de acesso a mainframes Anos 60 e 70, surgem os minicomputadores, experiências com redes de pacotes (ARPANET) 1977, surge o computador pessoal – Apple I 1981, surge o IBM PC A partir daí, a disseminação do uso de computadores se torna exponencial Primeiras conexões com computadores pessoais: Uso de modems por meio de linhas telefônicas Conexão ponto a ponto Aparecem os primeiros BBS (Bulletin Board Systems) Master Link BBS

15 Objetivos de Redes de Computadores
E.C.: Identificar características de redes locais e de longa distância Objetivos de Redes de Computadores Inicialmente, compartilhamento de recursos (CPU, Impressoras, Armazenamento) Com a disseminação da Internet e do acesso por banda larga, a comunicação e o compartilhamento de arquivos tornaram-se os focos principais Com o uso de microcomputadores, ao invés de mainframes, houve a necessidade de compartilhar dados entre vários microcomputadores Uso de disquetes, várias cópias dos mesmos arquivos "Sneakernets” As empresas precisavam de uma solução que respondesse satisfatoriamente às três questões abaixo: Como evitar a duplicação de equipamentos e recursos Como se comunicar eficazmente Como configurar e gerenciar uma rede As empresas perceberam que a tecnologia de rede aumentaria a produtividade enquanto lhes economizaria dinheiro. Novas redes foram sendo criadas ou expandidas tão rapidamente quanto surgiam novos produtos e tecnologias de rede. Vídeo: Computer Networks - The Heralds of Resource Sharing Fórum sobre Mainframes

16 Objetivos de Redes de Computadores
E.C.: Identificar diversos modelos de topologia de redes Objetivos de Redes de Computadores No início dos anos 80, as tecnologias de rede que surgiram tinham sido criadas usando diferentes implementações de hardware e software. Cada empresa que criava hardware e software para redes usava seus próprios padrões. Estes padrões individuais eram desenvolvidos devido à competição com outras companhias. Incompatibilidade entre os dispositivos Uma das primeiras soluções foi a criação de padrões de redes locais (LAN). Já que os padrões de redes locais ofereciam um conjunto aberto de diretrizes para a criação de hardware e software de rede, equipamentos de diferentes companhias poderiam então tornar-se compatíveis. Isto permitiu estabilidade na implementação de redes locais. Necessidade de comunicação entre empresas remotas, surgem os conceitos de redes de áreas metropolitanas (MAN – Metropolitan Area Network) e de redes de longa distância (WAN – Wide Area Network)

17 Comutação de Circuitos
E.C.: Identificar diversos modelos de topologia de redes Comutação de Circuitos Redes orientadas à conexão de comutação de circuito Forma utilizada pela rede de telefonia Muitas redes de comutação de circuito dão prioridade à manutenção das conexões de circuito existentes, apesar da necessidade de novos circuitos. Neste tipo de rede orientada à conexão, uma vez que um circuito é estabelecido, mesmo que não ocorra comunicação entre as pessoas, o circuito permanece conectado, e os recursos reservados até que uma das partes interrompa a ligação. Já que há uma capacidade finita de criar novos circuitos, é possível ocasionalmente receber uma mensagem de que todos os circuitos estão ocupados e que a ligação não pode ser completada. O custo para criar vários caminhos alternativos com capacidade suficiente para suportar um grande número de circuitos simultâneos e as tecnologias necessárias para recriar dinamicamente circuitos interrompidos no caso de uma falha, levaram os pesquisadores do departamento de defesa americano no projeto da ARPANET a considerar outros tipos de redes.

18 Comutação de Pacotes Redes sem conexão de comutação de pacotes
E.C.: Identificar diversos modelos de topologia de redes Comutação de Pacotes Redes sem conexão de comutação de pacotes Na busca por uma rede que pudesse resistir à perda de uma quantidade significativa de suas instalações de comutação e transmissão, os primeiros criadores da Internet reavaliaram as pesquisas iniciais sobre redes de comutação de pacotes. A premissa para esse tipo de rede é que uma única mensagem pode ser separada em múltiplos blocos de mensagem. Blocos individuais contendo informações de endereçamento indicam tanto o ponto de origem como seu destino final. Usando essa informação inerente, esses blocos de mensagem, chamados pacotes, podem ser enviados através da rede por vários caminhos e podem ser reunidos na mensagem original ao chegar ao seu destino. Uso de pacotes Os próprios dispositivos de rede não sabem o conteúdo dos pacotes individuais; só é visível o endereço do destino final e o próximo dispositivo no caminho para o destino. Nenhum circuito reservado é construído entre emissor e receptor. Cada pacote é enviado independente de um local de comutação para outro. Em cada local, uma decisão de roteamento é feita sobre qual caminho usar para enviar o pacote ao seu destino final. Se um caminho anteriormente usado não estiver mais disponível, a função de roteamento pode dinamicamente escolher o próximo melhor caminho disponível. Como as mensagens são enviadas em pedaços ao invés de em uma única mensagem completa, os pacotes que podem ser perder por ocasião de uma falha podem ser retransmitidos ao destino por caminhos diferentes. Em muitos casos, o dispositivo de destino não percebe que qualquer falha ou redirecionamento ocorreu.

19 E.C.: Identificar diversos modelos de topologia de redes
Comutação de Pacotes Os pesquisadores do DoD perceberam que uma rede sem conexão de comutação de pacotes possuía as características necessárias para suportar uma arquitetura de rede resistente e tolerante a falhas. A necessidade de um circuito único reservado do início ao fim não existe em uma rede de comutação de pacotes. Qualquer parte da mensagem pode ser enviada através da rede usando qualquer caminho disponível. Pacotes contendo partes de mensagens de diferentes origens podem navegar juntos na rede ao mesmo tempo. O problema de circuitos não direcionados ou ociosos é eliminado – todos os recursos disponíveis podem ser usados a qualquer hora para enviar pacotes ao seu destino final. Ao fornecer um método para o uso dinâmico de caminhos redundantes, sem intervenção do usuário, a Internet se tornou um método de comunicação escalável e tolerante a falhas. Redes orientadas à conexão Embora as redes sem conexão de comutação de pacotes preencham as necessidades do DoD e continuem sendo a principal infra-estrutura da Internet atualmente, existem alguns benefícios em um sistema orientado à conexão, como o sistema telefônico de comutação de circuito. Como os recursos nos vários locais de comutação são dedicados a fornecer um número finito de circuitos, a qualidade e a consistência das mensagens transmitidas através da rede orientada à conexão pode ser garantida. Outro benefício é que o provedor de serviço pode cobrar os usuários da rede de acordo com o período de tempo em que a conexão está ativa. A habilidade de cobrar os usuários por conexões ativas através da rede é uma premissa fundamental da indústria de serviços de telecomunicações.

20 E.C.: Identificar as funções dos dispositivos de redes locais mais comuns
Os equipamentos que se conectam diretamente a um segmento de rede são chamados de dispositivos. Estes dispositivos são divididos em duas classificações. Dispositivos de usuário final: computadores, impressoras, scanners e outros dispositivos que fornecem serviços diretamente ao usuário. Também conhecidos como hosts. Dispositivos de rede: são todos os dispositivos que fazem a interconexão de todos os dispositivos do usuário final permitindo que se comuniquem. Os hosts são fisicamente conectados aos meios de rede usando uma placa de rede (NIC). Eles usam esta conexão para realizar as tarefas de enviar de s, imprimir relatórios, digitalizar imagens ou acessar bancos de dados. Uma placa de rede é uma placa de circuito impresso que cabe no slot de expansão de um barramento em uma placa-mãe do computador, ou pode ser um dispositivo periférico. É também chamada adaptador de rede. Cada placa de rede individual transporta um indentificador exclusivo, denominado endereço de Controle de Acesso ao Meio (MAC - Media Access Control). Este endereço é usado para controlar as comunicações de dados do host na rede.

21 E.C.: Identificar as funções dos dispositivos de redes locais mais comuns
Os dispositivos de rede proporcionam transporte para os dados que precisam ser transferidos entre os dispositivos de usuário final. Os dispositivos de rede proporcionam extensão de conexões de cabos, concentração de conexões, conversão de formatos de dados, e gerenciamento de transferência de dados. Exemplos de dispositivos que realizam estas funções são: repetidores, hubs, bridges, switches e roteadores. Exemplos: Um repetidor é um dispositivo de rede usado para regenerar um sinal. Os hubs concentram conexões. Em outras palavras, juntam um grupo de hosts e permitem que a rede os veja como uma única unidade. Os hubs ativos não só concentram hosts, como também regeneram sinais. As bridges, ou pontes, convertem os formatos de dados transmitidos na rede assim como realizam gerenciamento básico de transmissão de dados. As bridges, como o próprio nome indica, proporcionam conexões entre redes locais. As bridges não só fazem conexões entre redes locais, como também verificam os dados para determinar se devem ou não cruzar a bridge. Isto faz com que cada parte da rede seja mais eficiente.

22 E.C.: Identificar as funções dos dispositivos de redes locais mais comuns
Os switches de grupos de trabalho (Workgroup switches) adicionam mais inteligência ao gerenciamento da transferência de dados. Eles não só podem determinar se os dados devem ou não permanecer em uma rede local, mas como também podem transferir os dados somente para a conexão que necessita daqueles dados. Outra diferença entre uma bridge e um switch é que um switch não converte os formatos dos dados transmitidos. Os roteadores possuem todas as capacidades listadas acima. Os roteadores podem regenerar sinais, concentrar conexões múltiplas, converter formatos dos dados transmitidos, e gerenciar as transferências de dados. Eles também podem ser conectados a uma WAN, que lhes permite conectar redes locais que estão separadas por longas distâncias. Nenhum outro dispositivo pode prover este tipo de conexão.

23 E.C.: Identificar diversos modelos de topologia de redes
Topologias Topologias de rede definem a estrutura da rede. Uma parte da definição de topologia é a topologia física, que é o layout efetivo dos fios ou meios físicos. A outra parte é a topologia lógica, que define como os meios físicos são acessados pelos hosts para o envio de dados. As topologias físicas que são comumente usadas são as seguintes: topologia em barramento (bus) usa um único cabo backbone que é terminado em ambas as extremidades. Todos os hosts são diretamente conectados a este backbone. topologia em anel (ring) conecta um host ao próximo e o último host ao primeiro. Isto cria um anel físico utilizando o cabo. topologia em estrela (star) conecta todos os cabos a um ponto central de concentração. topologia em estrela estendida (extended star) une estrelas individuais ao conectar os hubs ou switches. Esta topologia pode estender o escopo e a cobertura da rede. topologia hierárquica é semelhante a uma estrela estendida. Porém, ao invés de unir os hubs ou switches, o sistema é vinculado a um computador que controla o tráfego na topologia. topologia em malha (mesh) é implementada para prover a maior proteção possível contra interrupções de serviço. A utilização de uma topologia em malha nos sistemas de controle de uma usina nuclear de energia interligados em rede seria um excelente exemplo.

24 E.C.: Identificar diversos modelos de topologia de redes
Topologias A topologia lógica de uma rede é a forma como os hosts se comunicam através dos meios. Os dois tipos mais comuns de topologias lógicas são: Broadcast - simplesmente significa que cada host envia seus dados a todos os outros hosts conectados ao meio físico da rede. Não existe uma ordem que deve ser seguida pelas estações para usar a rede. A ordem é: primeiro a chegar, primeiro a usar. Exemplo: Ethernet Passagem de token - controla o acesso à rede, passando um token eletrônico seqüencialmente para cada host. Quando um host recebe o token, significa que esse host pode enviar dados na rede. Se o host não tiver dados a serem enviados, ele vai passar o token para o próximo host e o processo será repetido. Exemplos: Token Ring e Fiber Distributed Data Interface (FDDI). Placa FDDI

25 Protocolos Como os computadores são conectados à rede
E.C.: Identificar características de redes locais e de longa distância Protocolos Conjuntos de protocolos (protocol suites) são coleções de protocolos que permitem a comunicação de um host para outro através da rede. Um protocolo é uma descrição formal de um conjunto de regras e convenções que governam a maneira de comunicação entre os dispositivos em uma rede. Os protocolos determinam o formato, temporização, seqüência, e controle de erros na comunicação de dados. Sem os protocolos, o computador não pode criar ou reconstruir o fluxo de bits recebido de outro computador no seu formato original. Os protocolos controlam todos os aspectos de comunicação de dados, que incluem o seguinte: Como é construída a rede física Como os computadores são conectados à rede Como são formatados os dados para serem transmitidos Como são enviados os dados Como lidar com erros Estas regras para redes são criadas e mantidas por diferentes organizações e comitês. Incluídos nestes grupos estão: Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE), American National Standards Institute (ANSI), Telecommunications Industry Association (TIA), Electronic Industries Alliance (EIA) e International Telecommunications Union (ITU), anteriormente conhecida como Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique (CCITT).

26 E.C.: Identificar características de redes locais e de longa distância
Protocolos Os seres humanos frequentemente procuram enviar e receber uma variedade de mensagens usando aplicações de computador; essas aplicações necessitam que serviços sejam oferecidos pela rede. Alguns desses serviços incluem a World Wide Web (www), , envio de mensagens instantâneas e telefonia IP. Os dispositivos interligados por meios físicos para fornecer serviços devem ser governados por regras ou protocolos. No quadro, alguns serviços comuns e o protocolo mais diretamente associado àquele serviço são listados. Protocolos são as regras que os dispositivos de rede usam para se comunicarem. O padrão de indústria de rede atualmente é um conjunto de protocolos chamado TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). O TCP/IP é usado em redes residenciais e comerciais, sendo o principal protocolo da Internet. São os protocolos TCP/IP que especificam os mecanismos de formatação, endereçamento e roteamento que asseguram que nossas mensagens serão enviadas ao receptor correto. Exemplo: Jogo da Velha