CES-35 Redes de Computadores e Internet

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 Jan 2018: 1,003,604,363 (Fonte: ftp.isc.org/www/survey/reports/current/hosts.png) Fundamentos de Redes de Computadores

Crescimento da Internet Fonte: www.internetworldstats.com/stats.htm

Cenário: Antes 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. Fundamentos de Redes de Computadores

Cenário atual 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)

Cenário: 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

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

Roteiro Usos de Redes de Computadores Hardware de Rede Software de rede Modelos de Referência A Internet

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

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. Há 2.800.000 aplicações na Google Play! Smartphones: convergência entre telefonia (tipicamente voz) e internet (tipicamente dados). Mobile Commerce: m-commerce; Redes de Sensores; Computadores Embarcados. Computação ubíqua: computação embutida no dia-a-dia => redes sem fio cada vez mais importantes.

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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.

Escala

PANs e LANs 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. LANs - Local Area Networks: 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;

MANs e WANs – Metropolitan Area Networks MANs – Metropolitan Area Networks Versão aumentada da LAN – normalmente usa tecnologia similar – cobre grupo de escritórios; pública ou privada.. WANs – Metropolitan 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 – (roteadores)

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.

Wireless LAN O princípio utilizado é a transmissão através de ondas eletromagnéticas que se propagam no ar. O espectro  eletromagnético:

Bandas ISM ISM – Industrial, Scientific, Medical – Bandas reservadas pelos governos para uso sem licença, regulando a potência utilizada. Banda ISM no Brasil 2,4GHz – usadas pelo 802.11b/g 5 GHz – usadas pelo 802.11ac - Ambas usadas pelo 802.11n

Nosso Backbone - RNP

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Comutação de Pacotes (1) 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.

Comutação de Pacotes (2) 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.

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).

Atrasos e Perdas em Redes de Comutação de Pacotes (Kurose) - 2 Atraso de Transmissão: tempo para “empurrar” bits para o enlace. 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 (2x108 a 3x108 m/s – velocidade da luz em um meio) Atraso de propagação = d/s (em WANs da ordem de milisegundos)

Atrasos e Perdas em Redes de Comutação de Pacotes (Kurose) - 3 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 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! Fundamentos de Redes de Computadores

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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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.

Ilustração do Modelo OSI Composto de 7 níveis:

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. 802.3 (Ethernet) e 802.11 (WiFi) foram os padrões que permaneceram Fundamentos de Redes de Computadores

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.

Correspondência TCP/IP - OSI Modelo TCP/IP com alguns protocolos que serão estudados

Modelo de Referência adotado no curso CES-35 Modelo Híbrido O trabalho final de interesse do usuário Fornece aos níveis superiores serviço eficiente e confiável entre máquina de origem e destino, independente das redes utilizadas Obtém pacotes na origem e faz chegar ao destino final. Realiza saltos em pontos intermediários (roteadores). Permite comunicação eficiente e confiável entre dois computadores adjacentes: os bits são entregues na ordem exata em que são enviados. Define características mecânicas, elétricas e funcionais para a transmissão de bits entre as entidades do nível superior.   Modelo de Referência adotado no curso CES-35

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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

Histórico da Internet (2) 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;

Histórico da Internet - 3 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;

Histórico da Internet - 4 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.

Histórico da Internet - 5 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 Anos 2000 - Aplicações Multimídia (Aúdio e Vídeo pela Internet), Redes sem Fio e Redes Móveis, Rede Ubíqua, (Quero me comunicar de qualquer lugar a qualquer hora), Segurança.

Quem é quem para padrões Internet 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.

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); POP – Point of Presence – onde pacotes entram no ISP; IXP – Internet eXchange Points: onde ISPs trocam tráfego (também chamado NAP – Network Access Points).