REDES DE COMPUTADORES REDES DE COMPUTADORES I

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1 REDES DE COMPUTADORES REDES DE COMPUTADORES I
Introdução Professor: M.Sc. Carlos Oberdan Rolim

2 Introdução Século 18: grandes sistemas mecânicos acompanhando a revolução industrial Século 19: a era da máquina à vapor; Século 20: coleta, processamento e distribuição da informação: Redes telefônicas de alcance mundial; Invenção do rádio e da televisão; Nascimento e crescimento sem precedentes da indústria dos computadores; Lançamento de satélites de comunicação.

3 Introdução Nos primeiros 20 anos da existência da indústria dos computadores, os sistemas computacionais: Eram altamente centralizados (Centro de Processamento de Dados) - CPD; Custavam pequenas (às vezes grandes) fortunas; Realizavam processamento de dados off-line.

4 Introdução Nos últimos anos  união de computadores e comunicações, mudou profundamente a organização dos sistemas computacionais: O CPD antigo, cedeu lugar à um novo modelo, com os computadores separados fisicamente, mas interconectados através de sistemas de comunicação Esses sistemas são chamados Redes de Computadores.

5 Comunicação de dados Comunicação de dados começou com a invenção do telégrafo por Samuel F. Morse em 1838. 40 milhas de linha para telégrafo em 1844 realizou-se a transmissão de 15bits/s em 1860 Dados de radar, codificados em binário, foram transmitidos via facilidades de telégrafo para computadores na década de 1940

6 Comunicação de dados Final de 1950  Explosão de uso de computadores remotos Primeiros terminais interativos (1960) Sistemas Time Sharing (tempo compartilhado) Computadores para “batch processing”

7 Comunicação de dados Entre 1969 e 1970  projeto ARPANET da ARPA (Advanced Research Projects Agency) Primeira rede de grande porte Quatro universidades americanas 1972  primeira demonstração pública 1973  primeira conexão internacional (Londres)

8 Comunicação de dados 1979  ARPA cria o ICCB (Internet Control and Configuration Board) que reunia pesquisadores envolvidos no desenvolvimento do TCP/IP 1980  ARPA adota o TCP/IP e passa a ser o “backbone” da Internet DARPA incentivou integração de uma implementação de protocolos baixo custo ao UNIX disponível na University of California: Berkeley Software Distribution, também chamado Berkeley UNIX ou BSD UNIX. Conceito de socket  abstração de software

9 Comunicação de dados 1986  NSF (National Science Foundation) financiou a conexão de várias rede à Internet 1985  inviabilidade de gerenciamento dos nomes do computadores conectados na Internet Desenvolvimento do DNS 1986  computadores ligados a Internet; 1987  taxa de crescimento de 15% ao mês; 1990  computadores; 1994  de computadores conectados à Internet em 61 países.

10 Comunicação de dados 1988 no Brasil surgem redes ligando universidades e centros de pesquisa do Rio de Janeiro, São Paulo e Porto Alegre a instituições nos Estados Unidos 1988  AlterNex:o primeiro serviço brasileiro de Internet não-acadêmica e não-governamental Aberto ao público em 1992 1995  CGI.BR e liberação para uso comercial

11 Uso das redes nas organizações
Compartilhamento de recurso, programas, equipamentos e dados disponíveis para todos na rede, independente da localização física de recursos e usuários; Alta disponibilidade de recursos, arquivos importantes e/ou muito usados, podem ser replicados em dois ou mais computadores; Economia de dinheiro, dado que computadores de menor porte apresentam uma relação custo/benefício melhor que computadores de grande porte;

12 Uso das redes nas organizações
Escalabilidade, pode-se aumentar a performance do sistema gradualmente, de acordo com o crescimento da demanda, acrescentando novos computadores (mais poderosos) à rede; Comunicação, ou a capacidade de permitir que pessoas separadas fisicamente possam compartilhar informações de modo rápido e fácil (escrever um livro conjuntamente, por exemplo) - esse, talvez, seja o fruto mais importante da tecnologia de redes de computadores

13 Redes para pessoas Acesso à informação remota, nas mais diversas formas (bancos, lojas virtuais, jornais, sistemas de informação, etc.) Comunicação pessoa-a-pessoa, na forma de correio eletrônico, reunião virtual (videoconferência), redes sociais, etc. Entretenimento interativo, na forma de jogos via rede, vídeo/áudio sob demanda, etc. Todas as considerações já feitas revelam um mundo virtual ideal, cheio de recursos e possibilidades.  O mundo real força-nos a encarar alguns problemas que estão em discussão no momento.

14 Considerações sociais
A introdução em larga escala das redes de computadores trouxe novos problemas sociais, éticos e políticos. Algumas questões não respondidas totalmente ainda...

15 Considerações sociais
Até que ponto a liberdade de opinião e expressão pode (deve) ser respeitada? Operadores/gerentes de redes de computadores são responsáveis pelas informações que nelas circulam? Um proprietário de um provedor de acesso Internet deve responder judicialmente por informações consideradas ilegais armazenadas em seus computadores?

16 Considerações sociais
Empregadores devem (podem) ter o direito de censurar as mensagens enviadas/recebidas por seus empregados na rede da empresa? O que dizer de estudantes nas escolas? Dados pessoais / difamação em redes pessoais e serviços de streamming Como tratar problemas de segurança nas redes? Privacidade das informações

17 Inicio dos trabalhos....

18 Classificação de redes
Embora não haja uma classificação aceita genericamente, duas dimensões aparecem como as mais importantes: Tecnologia de transmissão Escala

19 Tecnologia de transmissão
Em relação à tecnologia de transmissão, de modo geral trabalha-se com dois tipos: Redes de difusão (Broadcast networks); e Redes ponto-a-ponto (Point-to-point Networks).

20 Redes de difusão Redes de difusão apresentam as seguintes características: Canal único de comunicação, compartilhado por todas as máquinas da rede; Tráfego de pequenas mensagens, chamadas às vezes de pacotes, enviadas por uma máquina e recebidas por todas; Pacotes com campo de endereço que especifica para que máquina o mesmo deve ser entregue (unicasting);

21 Redes de difusão Um pacote recebido por uma máquina tem seu campo de endereço verificado: se pertence à máquina que o recebeu, ele é processado pela mesma; em caso contrário, é descartado; Um pacote pode ser endereçado a todas as máquinas da rede ao mesmo tempo, usando um valor especial no campo de endereço; Esse modo de operação é chamado de modo de difusão (broadcasting). Um pacote pode ser endereçado a algumas máquinas da rede ao mesmo tempo, usando outro valor especial no campo de endereço. Esse modo de operação é chamado de multi-difusão (multicasting).

22 Redes ponto-a-ponto Redes ponto-a-ponto apresentam as seguintes características: Canal exclusivo de comunicação para interligação de quaisquer duas máquinas na rede; Tráfego de pacotes enviados por uma máquina origem para uma única máquina destino; Para ir de uma origem para um destino um pacote pode ter de passar por uma ou mais máquinas intermediárias; Múltiplas rotas, de diferentes custos (tamanho, velocidade, atraso), podem existir entre uma origem e um destino, de modo que algoritmos de roteamento (escolha da melhor rota) desempenham um papel relevante nessas redes.

23 Escala De modo geral (com a admissão de exceções):
redes pequenas, localizadas em uma mesma região geográfica, tendem a usar transmissão por difusão; redes grandes e geograficamente espalhadas usam transmissão ponto-a-ponto.

24 Em relação à escala, uma classificação bastante adotada para as redes é dada a seguir.
*Máquinas de fluxo de dados são computadores com alta capacidade de paralelismo que possuem muitas unidades funcionais capazes de operar simultaneamente em um mesmo programa. ** Multicomputadores são sistemas que podem se comunicar enviando/recebendo mensagens sobre barramentos muito curtos e rápidos

25 REDES LOCAIS DE COMPUTADORES (LOCAL AREA NETWORK – LAN)
Redes Locais de Computadores apresentam as seguintes características: São redes privadas, localizadas em um único prédio ou campus de poucos quilômetros de tamanho; São extensamente usadas para conectar computadores pessoais e estações de trabalho nas empresas para compartilhar recursos e trocar informações; Se distinguem dos outros tipos de rede por três características: Seu tamanho restrito; Sua tecnologia de transmissão; e Sua topologia.

26 O tamanho restrito permite:
Conhecer o pior tempo de transmissão com antecedência; Com base nesse conhecimento, usar certos tipos de projeto que não seriam possíveis em caso contrário; Com base nesse conhecimento, simplificar a gerência da rede.

27 A tecnologia de transmissão se caracteriza, normalmente, por:
Um canal de comunicação simples ao qual são conectadas todas as máquinas; Velocidade de transmissão da ordem de 100, Mbps (Gigabit Ethernet) ou Mbps (10 GigE) com baixo atraso (dezenas de microsegundos) e poucos erros; Avanços recentes permitem velocidades ainda maiores com baixo investimento.

28 As topologias mais utilizadas são:
Barramento, onde, em um dado instante, uma máquina tem e permissão de transmitir e todas as outras não podem transmitir Com mecanismo de arbitragem usado para resolver conflitos quando duas ou mais máquinas quiserem transmitir ao mesmo tempo; Esse mecanismo pode ser centralizado ou distribuído; IEEE 802.3, mais conhecido como Ethernet, é uma rede de difusão baseada em barramento bastante conhecida. Anel, que apresenta um mecanismo de transmissão semelhante ao usado no barramento; IEEE 802.5, mais conhecido como IBM token ring, é uma rede de difusão baseada em anel bastante conhecida.

29 Estrela interliga computadores através de switches ou qualquer outro concentrador/comutador.
É caracterizada por um elemento central que "gerencia" o fluxo de dados da rede, estando diretamente conectado (ponto-a-ponto) a cada nó, daí surgiu a designação "Estrela". Hierarquica ou em árvore, possui uma série de barramentos interconectados. Cada ramificação significa que o sinal deverá se propagar por dois caminhos diferentes. Esta topologia é muito usada para supervisionar aplicações de tempo real, como algumas de automação industrial e automação bancária. Quando uma operação exige acesso a informações que não estão disponíveis na agência, elas são buscadas no computador central. Se este não tiver acesso direto a estas informações, redicionará a busca para outro computador da rede que as detém.

30 Malha Todos os nós estão atados a todos os outros nós, como se estivessem entrelaçados.
Vários caminhos possíveis por onde a informação pode fluir da origem até o destino O tempo de espera é reduzido e eventuais problemas não interrompem o funcionamento da rede Um problema encontrado é em relação às interfaces de rede, já que para cada segmento de rede seria necessário instalar, em uma mesma estação, um número equivalente de placas de rede Uma vez que cada estação envia sinais para todas as outras com frequência, a largura da banda de rede não é bem aproveitada. Redes Hibridas ou Mistas União de mais de um tipo

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32 Redes de difusão podem ser divididas em estáticas e dinâmicas (dependendo de como o canal de transmissão é utilizado): Estáticas: dividem o tempo disponível do canal em intervalos discretos e usam um algoritmo de distribuição circular: permitindo que cada máquina transmita somente quando recebe um intervalo de tempo; desperdiçam capacidade do canal quando uma máquina não tem nada para transmitir durante o intervalo de tempo que lhe foi atribuído; Dinâmicas: um mecanismo de arbitragem (centralizado ou distribuído) recebe requisições de utilização do canal e as atende ou não de acordo com a ocupação do canal.

33 REDES METROPOLITANAS (METROPOLITAN AREA NETWORK – MAN)
Basicamente são uma versão maior das Redes Locais, usando tecnologias semelhantes; Suportam, em geral, dados e voz (telefonia), podendo estar associadas à rede de televisão via cabo; Redes Wireless se enquadram em redes MAN

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35 REDES DE LONGA DISTÂNCIA (WIDE AREA NETWORK – WAN)
Espalham-se por uma área geográfica grande: p.ex. um país; Máquinas são conectadas por uma subrede de comunicação, cujo trabalho é transportar mensagens de máquina a máquina, como um sistema telefônico; Como separam os aspectos puros de comunicação (subrede) dos aspectos das aplicações (máquinas), seu projeto é mais simplificado.

36 WAN

37 Na maioria das WANs, a subrede consiste de dois componentes distintos:
Linhas de transmissão, também chamados de circuitos, canais ou troncos, que transportam bits entre elementos da rede; Elementos de comutação, computadores especializados, usados para conectar duas ou mais linhas de transmissão: escolhendo sempre o melhor caminho para os dados percorrerem para chegar ao seu destino; São chamados de vários nomes: Nós de comutação de pacotes; Sistemas intermediários; Comutadores de dados; Roteadores (termo preferido).

38 ponto-a-ponto; e ponto-a-multiponto.
Em uma Rede de Longa Distância, a subrede de transmissão pode ser organizada como: ponto-a-ponto; e ponto-a-multiponto.

39 Na forma ponto-a-ponto, a transmissão de dados entre duas máquinas que não compartilham um canal de comunicação se dá pela utilização de máquinas intermediárias: em um princípio de organização de subrede chamado de ponto-a-ponto (point-to-point) ou de armazena-e-segue (store-and-forward) ou comutação de pacote (packet-swithing). Na forma ponto-a-ponto uma consideração importante de projeto é a topologia de conexão de roteadores.

40 Na forma ponto-a-multiponto, um sistema de satélites ou de rádio é usado como difusor dos dados
Exemplo de Rede ponto-a-multiponto

41 REDES SEM FIO O crescimento do uso dos dispositivos vem proporcionando um interesse cada vez maior em redes sem fio (wireless networks). Uma rede totalmente baseada em ondas eletromagnéticas

42 Problemas das redes sem fio:
Custo: ainda são mais caras que as redes convencionais; Velocidade: tipicamente trabalham em velocidades inferiores a redes cabeadas; Taxas de erro: freqüentemente maiores que nas redes convencionais, podendo ocorrer interferência entre computadores de diferentes redes. Segurança: ?????; Novo padrão se estabelecendo Ethernet (a, b, ...., g), (Wimax), 2G, 3G, 4G;...

43 INTER-REDES Muitas redes de computadores existem no mundo, frequentemente compostas por diferentes hardwares e softwares: A interconexão dessas muitas redes se dá por máquinas chamadas de gateways: À coleção dessas redes interconectadas dá-se o nome de inter-rede ou internet. Uma forma comum de inter-rede é: um conjunto de redes locais (LANs) conectadas através de uma rede de longa distância (WAN) e, uma rede local conectada à uma rede de longa distância forma uma inter-rede, embora não haja consenso na literatura e na indústria sobre esse ponto.

44 Cabe aqui diferenciar internet e Internet (com I maiúsculo):
A primeira, como dito anteriormente, define um conjunto de redes interconectadas. A segunda, da nome à maior de todas as inter-redes em funcionamento no mundo atualmente.

45 SOFTWARE PARA REDES DE COMPUTADORES
As primeiras redes de computadores foram projetadas tendo: Hardware como a preocupação principal; Software como um coadjuvante; Essa estratégia não funciona mais hoje em dia: O software é considerado uma das partes mais importantes na concepção de novas tecnologias de redes de computadores;

46 Para reduzir a complexidade de projeto:
A maioria das redes são organizadas como uma série de camadas ou níveis, cada uma construída sobre a outra; O número de camadas, o nome, o conteúdo e a função de cada camada varia de rede para rede, embora em todas as redes, o objetivo de cada camada seja oferecer para a camada superior certos serviços, liberando a camada superior de se preocupar com os detalhes de implementação desses serviços;

47 A camada N de uma máquina da rede desenvolve uma troca de dados com a camada N de outra máquina;
As regras e convenções que regem essa troca de dados são conhecidas como protocolos da camada N.

48 Basicamente, um protocolo é um acerto entre as partes que se comunicam sobre como a comunicação deve se desenvolver Quem fala primeiro? Como se identificar um para o outro? Se um não entender uma dada mensagem, como proceder para pedir a repetição da mesma? etc.

49 Um exemplo de uma rede em cinco níveis pode ser visto na figura abaixo.
Camadas, protocolos e interfaces

50 Não há transferência de dados direta entre a camada 5 de uma máquina para a camada 5 de outra:
Cada camada passa dados para a camada imediatamente inferior, até a camada mais baixa ser atingida; Junto da camada 1 está o meio físico de transmissão onde a comunicação realmente acontece; Entre cada par de camadas adjacentes, existe uma interface que define que operações primitivas e que serviços a camada inferior oferece para a camada superior, e o que cada camada deve fazer para interagir com a outra.

51 Um conjunto de camadas e protocolos de comunicação entre camadas do mesmo nível define uma Arquitetura de Rede. Por exemplo, a Internet usa a arquitetura TCP/IP. Uma lista de protocolos usados por um certo sistema define uma Pilha de Protocolos. Por exemplo, pode-se falar da pilha TCP/IP do sistema operacional Ubuntu Linux, da pilha TCP/IP do sistema operacional Solaris da SUN, da pilha TCP/IP do Windows, etc.

52 Considerando o exemplo da figura anterior, poderíamos definir a seguinte funcionalidade:
Uma mensagem M, produzida por uma aplicação na camada 5, é entregue à camada 4 para transmissão; A camada 4 coloca um cabeçalho na frente da mensagem para identificá-la; o cabeçalho contém informações tais como um número de seqüência para permitir que a camada 4 da máquina destino entregue a mensagem na ordem correta, no caso das camadas inferiores não manterem a ordem das mesmas durante o encaminhamento; A camada 3, como em muitas redes, impõe um limite para o tamanho das mensagens que transmite, precisando, em muitas ocasiões, quebrar os dados que recebe da camada 4 em unidades menores, chamadas às vezes de pacotes, acrescentando a eles um novo cabeçalho (da camada 3); A camada 3 também decide que caminho físico usar (quando houver mais de um), e passa o pacote para a camada 2 que, por sua vez, acrescenta um novo cabeçalho e um terminador (trailer ou sufixo) ao pacote, enviando para a camada 1 para a transmissão.

53 Exemplo de fluxo de informação na arquitetura de 5 camadas

54 CONSIDERAÇÕES DE PROJETO PARA AS CAMADAS
Várias considerações dever ser feitas no projeto das camadas do software de redes. Algumas das mais importantes são: Identificação de máquinas e/ou processos: uma rede congrega vários computadores, alguns dos quais têm múltiplos processos, logo é preciso existir um mecanismo de endereçamento de máquinas e processos entre os computadores de uma rede; Formas de transmissão de dados: como os dados trafegam na rede quando se dá a comunicação entre duas máquinas? Mão única (simplex): transmissão somente em um sentido no canal de transmissão; Mão dupla alternada (half-duplex): transmissão em ambos os sentidos, um sentido de cada vez; Mão dupla total (full-duplex): transmissão em ambos os sentidos, ao mesmo tempo.

55 Controle de erro: como os canais de comunicação não são totalmente confiáveis, é necessário algum tipo de controle de erros para garantir confiabilidade nas comunicações; Seqüênciamento: dado que nem todo canal de transmissão preserva a ordem das mensagens, algum tipo de controle de sequenciamento deve existir para permitir ao receptor reordenar as mensagens antes de entregá-las ao programa aplicativo;

56 Controle de mutiplexação: como aglutinar pequenas mensagens em blocos maiores para melhor aproveitar a capacidade de um canal de comunicação? Controle de encaminhamento de dados: que caminho uma mensagem deve seguir quando existe mais de um disponível para se atingir um mesmo destino? Algoritmos de tomada de decisão (roteamento) devem ser usados para esse fim.

57 Controle de fluxo: como informar a um emissor rápido que um receptor lento não comporta mais mensagens? Controle de fragmentação: como transmitir mensagens longas sobre canais de comunicação com limitações no tamanho dos blocos de dados que eles podem transmitir?

58 INTERFACES E SERVIÇOS Considerando que a função de cada camada é prover serviços para a camada superior, vamos definir alguns termos: Entidades (Entities): elementos ativos em cada camada. Um elemento ativo pode ser software (p.ex. um processo) ou hardware (p.ex. um processador de entrada e saída); Entidades pares ou parceiras (Peer Entities): entidades na mesma camada de máquinas diferentes; Provedor de serviço (Service Provider): camada N que fornece serviços para a camada N+1;

59 Usuário de serviço (Service User): camada N+1 que usa serviços da camada N;
Ponto de acesso à serviço (Service Access Point - SAP): local (forma) de acesso à um serviço em uma camada; Por exemplo, os pontos de acesso a serviço da camada N, são aqueles disponibilizados para a camada N + 1 para usos dos serviços oferecidos pela camada N (possivelmente subrotinas e funções com parâmetros bem definidos);

60 Unidade de Dados de Interface (Interface Data Unit - IDU): bloco de dados passados da camada N+1 para a camada N; É composta de: Informação de Controle de Interface (Interface Control Information - ICI): que ajuda a camada N no desempenho de suas tarefas (p.ex. número de bytes do SDU); Unidade de Dados de Serviço (Service Data Unit - SDU): dados a serem transmitidos para a entidade par (na máquina destino); Unidade de Dados de Protocolo (Protocol Data Unit - PDU): Caso necessário, a camada N fragmenta a SDU recebida da camada N+1, enviando para a camada N-1 n PDUs precedidas de um cabeçalho que informa à entidade par na máquina destino como recompor a SDU original.

61 SERVIÇO ORIENTADO À CONEXÃO E SERVIÇO NÃO ORIENTADO À CONEXÃO
Serviço Orientado à Conexão (Connection-Oriented): É aquele onde o usuário do serviço precisa estabelecer uma conexão (trocar dados de controle) com a entidade par na máquina destino antes de enviar mensagens para a mesma. Após encerrar a transferência de mensagens, deve encerrar a conexão de forma explícita; O aspecto essencial da conexão é que ela atua como um tubo: o emissor coloca objetos (bits) em uma ponta, e o receptor os recebe na outra ponta, na mesma ordem; É um serviço confiável de entrega de dados (baseado na confirmação de recebimento);

62 SERVIÇO ORIENTADO À CONEXÃO E SERVIÇO NÃO ORIENTADO À CONEXÃO
Serviço não orientado à Conexão ou sem conexão (Connectionless): É aquele onde o usuário do serviço envia mensagens para a entidade par na máquina destino sem comunicação prévia; O aspecto essencial da transmissão é que cada mensagem trafega com informações completas do destinatário e cada mensagem pode seguir caminhos distintos na rede, podendo chegar ou não ao seu destino; É um serviço não confiável de entrega de dados.

63 PRIMITIVAS DE SERVIÇO Um conjunto de primitivas (operações) especifica formalmente um serviço disponível para o usuário ou para uma entidade. As primitivas pedem aos serviços para desenvolver alguma ação ou informam sobre o resultado de uma ação executada por uma entidade par. As primitivas são, normalmente, classificadas conforme a figura abaixo.

64 Para ilustrar o uso de primitivas, vamos supor a transferência de uma mensagem de uma máquina 1 para uma máquina 2 em termos das camadas N+1 e N em ambas as máquinas, como mostrado na figura a seguir.

65 conexão(requisita) - requisita o estabelecimento de uma conexão;
conexão(indica) - sinaliza o lado chamado (máquina 2); conexão(responde) - o lado chamado sinaliza que aceita ou rejeita a conexão; conexão(confirma) - o lado chamador é informado do aceite da conexão; dados(requisita) - a máquina 1 solicita envio de dados; dados(indica) - sinaliza chegada de dados na máquina 2; dados(requisita) - a máquina 2 solicita envio de dados; dados(indica) - sinaliza chegada de dados na máquina 1; desconexão(requisita) - requisita o encerramento da conexão; desconexão(indica) - sinaliza o lado chamado (máquina 2)

66 OBSERVAÇÃO Serviços e protocolos são conceitos distintos que, embora confundidos em alguns contextos, devem ser sempre bem compreendidos: Um serviço é um conjunto de primitivas (operações) que uma camada fornece para a camada acima dela; O serviço define que operações a camada está preparada para executar para seus usuários, mas não define como elas são implementadas. Um protocolo, em contrapartida, é um conjunto de regras que governam o formato e o significado dos quadros, pacotes ou mensagens que são trocados por duas entidades pares em uma camada.