Redes de Computadores I Introdução

Comunicação entre computadores (antigos)‏ –Modelo descentralizado Sem troca eletrônica de recursos Duplicidade de dados → Inconsistências Baixa produtividade –Modelo centralizado Mais fácil e barato de controlar e manter Terminais burros conectados a uma única CPU Único ponto de falha Baixa escalabilidade

Introdução (2)‏ Comunicação entre computadores (atual)‏ –Redes de Computadores Surgiu da necessidade de compartilhar recursos de hardware e software entre computadores que participem de um mesmo sistema computacional (rede)‏ Os computadores desses sistemas computacionais podem servir ou consumir recursos de outros computadores – controle descentralizado Podem ter alta escalabilidade e maior tolerância a falhas, se projetados para tanto Alguns tipos: –Modelo Cliente/Servidor –Modelo Pear-to-Pear

Redes de Computadores Conjunto de computadores autônomos interconectados É a infraestrutura de hardware e software que suporta a comunicação entre computadores –Hardware: cabos, equipamentos de interconexão e computadores. –Software: Aplicações de rede e regras (protocolos) de comunicação Sistemas Distribuídos x Redes –TRANPARÊNCIA!

Porque estudar redes de computadores? As redes evoluem mais rápido que os processadores Atuação na área Subsídio para desenvolvedores

Uso das Redes - Corporações Compartilhamento de recursos –Discos, Impressoras, Software, Confiabilidade Economia - Modelo Cliente/Servidor Escalabilidade Meio de Comunicação rápido

Uso da Redes - Pessoas Acesso a informações remotas –WWW –Netbanking –E-commerce –Jornais on-line –Bibliotecas Digitais Comunicação pessoa a pessoa –ICQ/Messenger –Video Conferência Avaliações Médicas Aulas a Distância

Uso da Redes – Pessoas (2)‏ Diversão interativa –Filmes e Televisão Interativa Locadora de vídeo (video on-demand)‏ Cinema –Jogos Simuladores de Vôo Jogos de Guerra

Uso das Redes – Questões Sociais Debates de temas polêmicos –Sexo –Pornografia Infantil Quem é responsável pelo conteúdo dos sites? –Proprietário do servidor –Executor da postagem O dono do servidor pode censurar? (violar a liberdade de expressão)‏ Ler do empregado/estudante

Hardware de Rede

Classificação das Redes Por tecnologia de transmissão –Redes de difusão (broadcast)‏ Apenas um canal de comunicação Multidifusão (multicast)‏ –Redes ponto-a-ponto Conexões entre pares individuais de máquinas Possibilidade de visitação de redes intermediárias Algoritmos de roteamento são importantes

Classificação das Redes (2)‏ Por escala *PAN = Personal Area Network / GAN = Global Area Network

Redes Locais - LAN Amplamente utilizadas para conectar computadores pessoais, permitindo o compartilhamento de recursos Características principais –Tamanho restrito Pior tempo de transmissão conhecido previamente Gerenciamento simplificado –Tecnologia de Transmissão –Normalmente utilizam difusão (broadcasting)‏ –Altas velocidades (até 10 Gbps) - Mb <> MB –Baixo atraso (centenas de microsegundos)‏ –Não ocorrem muitos erros de transmissão

Redes Locais – LAN (2)‏ Características principais (cont.)‏ –Topologias Comuns Anel –Cada bit percorre todo o anel –Controle de acessos simultâneos ao anel –Parou de ser utilizado em LANs – manutenção complexa –Ex: IEEE (IBM Token Ring) e FDDI Barramento –Máquinas conectadas em um cabo (barramento) linear –Mecanismo de arbitrariedade »Centralizado »Distribuído (Ex: IEEE Ethernet)‏

LAN - Topologias Principais

LAN – Alocação de Canais Alocação de Canais em Redes de Difusão –Estática Divide o tempo em intervalos discretos Algorítmo de escalonamento (ex: Round Robin)‏ Desperdiça a capacidade do canal –Dinâmica Centralizado X Descentralizado

Redes Metropolitanas - MAN Abrangem um conjunto de escritórios vizinhos ou uma cidade inteira Exemplo: –Redes de TV a Cabo –Rede UNOESTE

Topologia comum - MAN

Redes de Longa Distância - WAN Abrangem uma ampla área geográfica = tamanho irrestrito Tecnologia de transmissão –Podem ter velocidades igual às LANs, mas com alto custo –Redes ATM Normalmente constituídas por várias redes ponto-a-ponto

Redes de Longa Dist. – WAN (2)‏ É constituída por:  Hosts  Computadores dos usuários  Sub-Rede  Linhas de Transmissão  Transportam bits entre máquinas  Elementos de Comutação  Conectam duas ou mais linhas de transmissão  Roteadores  Possibilitam comunicação indireta = Store and Forward (Comutação de Pacotes)‏

Exemplo de uma WAN

WAN – Interior de uma subrede

WAN – Topologias Exemplos de topologias de interconexão  Estrela  Anel  Árvore  Completa  Anéis intersectados  Irregular

Redes sem Fio Podem ser utilizada de PANs a WANs Utilidade –Escritório portátil: , fax, acessar arquivos remotos, estabelecer login remoto, etc... –Frotas de caminhões, táxis, ônibus, representantes de vendas, etc... Desvantagens –Desempenho –Taxas de erros maiores –Limitações de distância Exemplos –Interligação de campi de universidades, AeroLAN, Utilização do telefone celular (GSM)‏

Interligação de Redes Também chamada de Internetwork ou somente Internet Internet X internet Existem muitas redes instaladas mundialmente com hardware e software específicos -> Necessidade de conexão –Utilização de Gateways Fazem conversão em nível de hardware e software internet mais comumente implementada: Conjunto de LANs ligadas por um WAN

Software de Rede

Hierarquias de Protocolo Protocolos de Comunicação –É um conjunto de regras e convenções necessárias para a comunicação entre computadores Arquitetura de Camadas –A maioria das redes de computadores é organizada como uma série de camadas –Camadas inferiores oferecem serviços para camadas superiores, ocultando os detalhes de implementação –A camada n de uma máquina se comunica com a camada n de outra máquina

Hierarquias de Protocolos (2)‏ Arquitetura de Camadas (cont.)‏ –As comunicações entre camadas (pares) são realizadas utilizando protocolos de comunicação –Entre camadas adjacentes, existe uma interface que define as operações e serviços que a camada inferior tem a oferecer para a camada superior a ela –CADA CAMADA DEVE TER UMA FUNÇÃO BEM DEFINIDA –Reduz a quantidade de informações passadas de uma camada para outra –Simplifica a substituição das camadas

Camadas, Protocolos e Interfaces

Camadas - Exemplo

Camadas – Questões de Projeto Todas as camadas precisam identificar emissores e receptores (endereçamento)‏ Transmissão de dados (simplex / half-duplex / full-duplex)‏ Controle e correção de erros Divisão de mensagens Ordenação de mensagens Escolha de Rotas

Tipos de Serviços Serviços orientados à conexão –Similar ao serviço telefônico Disca o número e espera o “Alô” (Estabelece uma conexão)‏ Fala (Utiliza a conexão)‏ Desliga (Fecha a conexão)‏ –“Funciona como um tubo virtual” –O emissor empurra bits na entrada do tubo –O receptor recebe os bits na mesma ordem na saída do tubo

Tipos de Serviços (2)‏ Serviços sem conexão –Sistema postal –Cada carta carrega o endereço de destino do receptor –Cada carta pode ser roteada independentemente –Quando duas cartas são enviadas ao mesmo destino, normalmente a primeira a ser enviada será a primeira a chegar. Entretanto, é possível que a segunda chegue primeiro

Qualidade de Serviço Serviço confiável –Não perdem dados –Utilizam confirmação de recebimento –O processo de confirmação adiciona overhead e atraso (delay)‏ –Exemplos: Orientado à conexão: –Seqüência de mensagens: Seqüência de páginas –Fluxo (stream) de bytes: Login remoto Sem conexão: –Datagrama reconhecido (acknowledged): Carta registrada

Qualidade de Serviço (2)‏ Serviço não confiável –Exemplos: Orientado a conexão: –Conexão não confiável: Voz digitalizada Sem conexão: –Conhecido como Serviço de Datagrama: Transmissão multimídia –Request-Reply: Query em Banco de Dados

Modelos de Referência Modelos de referência são guias para o desenvolvimento de software ou equipamentos para um determinado tipo de rede Eles não definem detalhadamente como os componentes de hardware e software devem ser projetados, apenas descrevem os requisitos mínimos para tais componentes Modelos de referência não são protocolos

Modelo de Referência ISO/OSI Criado em 1983 OSI (Open Systems Interconection)‏ Tentativa de padronizar protocolos que utilizavam a arquitetura de camadas Desenvolvido para protocolos de uso geral

ISO/OSI - Princípios Camadas devem ser criadas somente quando um nível de abstração diferente é necessário Cada camada deve realizar uma função bem definida A função de cada camada deve ser escolhida com vistas a protocolos padronizados internacionalmente As delimitações de camadas devem ser escolhidas para minimizar o fluxo informação nas interfaces

ISO/OSI – Princípios (2)‏ O número de camadas deve ser grande o suficiente para que funções distintas não precisem ser colocadas juntas na mesma camada, e pequena o suficiente para a arquitetura não tornar muito restrita.

ISO/OSI – Camadas

ISO/OSI – Camada Física Tem a responsabilidade de transmitir bits “crus” entre duas entidades utilizando algum meio de transmissão Deve assegurar que se um bit “1” foi transmitido, ele deve ser entendido pelo receptor como “1”, e não “0”. Questões tratadas: –Como representar os bits no meio de transmissão –Direção da transmissão (S, HD, FD)‏ –Qual o tipo de conector utilizado –Como uma conexão é estabelecida e finalizada

ISO/OSI – Camada de Enlace Enlace de dados = Data Link É responsável por pegar os bits da camada física e transformá-los em uma conjunto de bits aparentemente livre de erros Para facilitar essa tarefa os os bits recebidos são agrupados em quadros (frames) de dados Os quadros são transmitidos seqüencialmente e são confirmados pelo receptor utilizando quadros de confirmação (acknowledgment frames)‏

ISO/OSI – Camada de Rede A camada de rede é responsável por decidir como os pacotes serão roteados da origem até seu destino Precisa identificar os hosts com endereços únicos Rotas podem se basear em tabelas estáticas, no início de uma conexão, ou algoritmos podem decidir dinamicamente para onde cada pacote deve ser enviado O controle de congestionamento também é de responsabilidade dessa camada

ISO/OSI – Camada de Transporte Tem a função de obter os dados enviados pela camada de sessão, fragmentá-los em unidades menores caso necessário, e transmitir tais pedaços para a camada de transporte do destinatário A camada de transporte também determina qual o tipo de serviço oferecido para a camada de sessão –Orientado a conexão e confiável, Sem conexão e não confiável, Entrega a múltiplos destinatários (broadcast).

ISO/OSI – Camada de Transporte Normalmente, cria uma conexão distinta para cada conexão de transporte requisitada pela camada de sessão –Necessidade de alto throughput: necessário utilizar mais conexões –Alternativa: multiplexar muitas conexões de transporte em uma mesma conexão de rede para reduzir curto Como muitos hosts são multiprogramados, isso implica que em um mesmo host poderão existir várias conexões ao mesmo tempo –Qual mensagem pertence a qual conexão?

ISO/OSI – Camada de Transporte Primeira camada fim-a-fim (4 a 7), da origem ao destino: um programa da máquina de origem carrega a conversação até um programa similar na máquina de destino, utilizando cabeçalhos e mensagens de controle. –Nas camadas 1 até 3, os protocolos estão entre cada máquina e seus vizinhos imediatos, e não somente entre as máquinas de origem e destino Deve possuir um mecanismo para identificar cada conexão (ex: sIP:sPORT/dIP:dPORT)‏ Deve realizar o controle de fluxo

ISO/OSI – Camada de Sessão Permite máquinas estabelecerem sessões entre elas. –Uma sessão permite o transporte de dados, como na camada de transporte. No entanto, também oferece serviços úteis em algumas aplicações Para alguns protocolos, é essencial que ambos os lados não tentem realizar uma mesma operação ao mesmo tempo. –Realiza o gerenciamento de token: o token é compartilhado entre a origem e o destino. –Somente quem possui o token pode realizar uma operação “crítica”.

ISO/OSI – Camada de Sessão É reponsável pela sincronização: oferece uma maneira de inserir checkpoint no fluxo de dados para que quando ocorra um erro de transmissão, somente os dados transferidos após o último checkpoint sejam reenviados

ISO/OSI – Camada de Apresentação É responsável pela sintaxe e pela semântica das informações transmitidas Um exemplo típico é a codificação dos dados em um padrão definido –Usuários não trocam bits, trocam informações (nomes, datas, quantias de dinheiro)‏ –Esses dados são representados por strings, inteiros, número de ponto flutuante, estruturas de dados compostas, etc... –A camada de sessão converte uma estrutura de dados utilizada dentro de um computador para o padrão de representação da rede

ISO/OSI – Camada de Aplicação Possue uma variedade de protocolos que são comumente necessários. Cada protocolo deve tratar as particularidades da aplicação a que se destina. –Terminal remoto (Telnet, SSH)‏ Variedade de terminais existentes Terminal virtual –Transferência de arquivos (FTP)‏ Deve tratar particularidades de sistemas de arquivos diferentes (nomenclatura, maneiras de representar final de linha, tipos de arquivo, etc...)‏ –Tranferência de Hipertexto (HTTP)‏

Modelo de Referência TCP/IP A ARPANET, antecessora da Internet, era uma rede de pesquisas patrocinada pelo DoD que conectava várias universidades e instalações governamentais através de linhas telefônicas privadas A dificuldade de adaptação as novas tecnologias (ex: redes via-rádio/satélite) provocou o desenvolvimento do MR-TCP/IP Sua primeira definição foi em 1974

Modelo de Referência TCP/IP (2)‏ O principal objetivo era criar uma rede que funcionasse de maneira descentralizada, e permitisse utilizar equipamentos de diversos fabricantes O MR-TCP/IP permitiu que a integração de novas tecnologias fosse realizada de maneira menos “traumática” –A arquitetura em camadas foi utilizada para permitir tal característica

MR-TCP/IP – Camadas

MR-TCP/IP – Camada Física Conhecida como Host-Rede (host-to- network)‏ O modelo TCP/IP não oferece especificações detalhadas sobre essa camada Especifica somente que um host deve se conectar a uma rede utilizando algum protocolo para que ele possa enviar datagramas IP através dela Tal protocolo não é definido e varia de rede para rede

MR-TCP/IP – Camada Internet Permite que os injetem pacotes em qualquer rede para que eles “viagem” de maneira independente para para seu destino –Podem chegar em uma ordem diferente do envio, viajar por caminhos diferentes ou mesmo não chegar Essa camada define um formato oficial de pacote chamado IP (Internet Procotol)‏ O roteamento é a função principal dessa camada, bem com o controle de congestionamento

MR-TCP/IP – Camada Transporte Permite que entidades pares nos hosts de origem e destino mantenham uma conversação direta Dois protocolos fim-a-fim são definidos –TCP (confiável e orientado a conexão) que permite que fluxo de bytes seja entre sem erros para qualquer host na Internet Fragmenta o fluxo de bytes em mensagens discretas e as passa para a camada internet No destino um processo TCP recebe as mensagem e remonta o fluxo de bytes Efetua o controle de fluxo

MR-TCP/IP – Camada Transporte (2)‏ –UDP (não confiável e sem conexão)‏ Utilizado em aplicação que não precisam do controle de fluxo nem do sequenciamento de mensagens do TCP

MR-TCP/IP – Camada Aplicação As camadas de sessão e apresentação do modelo MR-OSI não foram incluídas no MR-TCP/IP porque não foi detectado a necessidade de utilizá-las Experiências com o modelo OSI provaram que as camadas de sessão e apresentação são utilizadas em poucas aplicações Contém os protocolos de alto nível –TELNET, FTP, SMTP, DNS, HTTP, etc..

MR-TCP/IP – Protocolos e Redes