Redes industriais Internet
Carlos Roberto da Silva Filho, M. Eng.
Internet – Componentes
• Milhões de dispositivos conectados: hosts
= sistemas finais, rodando aplicações de
rede;
• enlaces (canais) de comunicação – meios
físicos: fibra ótica, fio de cobre, cabo
coaxial, ondas de rádio e satélite;
• Taxa de transmissão (Mbps) = largura de
banda (bandwidth);
• roteadores:
encaminham
pacotes
(pedaços) de dados através da rede;
Internet
ISP local
ISP regional
Rede da
empresa
Internet – Protocolos
• Protocolos: controla o envio e recepção
de mensagens - ex., TCP, IP, HTTP, FTP,
PPP;
• Internet: “rede de redes”
• Internet pública x intranet privada (redes
corporativas, governamentais)
• Padrões da Internet - desenvolvidos pela
IETF: Internet Engineering Task Force;
• Documentos são denominados RFC:
Request for comments;
Internet – Serviços
• Infra-estrutura
de comunicação que
permite o uso de aplicações distribuídas:
• WWW, email, jogos, comércio eletrônico,
compartilhamento de arquivos, etc.;
• Serviços de comunicação disponibilizados:
• Não confiável sem conexões (nenhuma
garantia quanto à entrega final dos dados);
• Confiável orientado à conexões;
Internet – Periferia e Núcleo
• Periferia da rede: aplicações e sistemas
finais ou hospedeiros (hosts) – PCs,
servidores, celulares, Smartphone, PDAs Personal Digital Assistant (agenda digital);
• Núcleo da rede:
• Malha de roteadores;
• rede de redes, redes de acesso, meio
físico: enlaces de comunicação;
Internet – Periferia e Núcleo
Internet – Periferia
• Sistemas finais (hosts): rodam programas
de aplicação: www, email - na “borda da
rede”;
• Modelo cliente/servidor: o host cliente faz
os pedidos, são atendidos pelos servidores;
• Ex.: cliente www (browser) / servidor Web;
cliente/servidor de email;
• Modelo entre pares - peer to peer (P2P):
uso mínimo ou nenhum de servidores
dedicados. O usuário é cliente e servidor ex.: Skype, BitTorrent, KaZaA, eMule;
Internet – Periferia e Núcleo
Internet – Serviços Orientados
• Objetivo: transferência de dados entre
sistemas finais.
• handshaking: inicialização prepara para a
transferência de dados;
• Inicializa o “estado” em 2 hosts que
desejam se comunicar;
• TCP - Transmission Control Protocol:
serviço orientado à conexão da Internet;
Internet – Serviços Orientados
• Serviço TCP [RFC 793]: transferência de
dados através de um fluxo de bytes
ordenados e confiável;
• Perda: reconhecimentos e retransmissões;
• Controle de fluxo: transmissor não
inundará o receptor;
• Controle
de
congestionamento:
transmissor “diminui a taxa de transmissão”
quando a rede está congestionada;
Internet – Serviços não Orientados
• Objetivo: transferência de dados entre
sistemas finais;
• UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]:
• serviço sem conexão;
• transferência de dados não confiável;
• não controla o fluxo;
• nem congestionamento;
Internet – Serviços
• Aplicações que usam TCP:
• HTTP (WWW), FTP (transferência de
arquivo), Telnet (login remoto), SMTP
(email)
• Aplicações que usam UDP:
• streaming media (transmissão de áudio e
vídeo na Internet), teleconferência, telefonia
via Internet (VoIP, Skype);
Internet – Núcleo da Rede
• Malha de roteadores interconectados;
• Questão fundamental: como os dados são
transferidos através da rede?
• Comutação
de
circuitos:
circuito
dedicados em cada chamada: rede
telefônica
• Comutação de pacotes: os dados são
enviados através da rede em pedaços
discretos.
Internet – Núcleo da Rede
Comutação de Circuitos
• Recursos da rede (banda) são divididos em
“pedaços” - Pedaços alocados às chamadas;
• O pedaço do recurso fica ocioso se não for
usado pelo seu dono - (não compartilha);
• A divisão da banda de um canal é feita em
“pedaços” (multiplexação):
• FDM – Frequency Division Multiplexing divisão de freqüência
• TDM – Time Division Multiplexing - divisão de
tempo
Comutação de Circuitos – FDM e
TDM
FDM
Exemplo: 4 usuários
freqüência
tempo
TDM
quadro
compartimento
freqüência
tempo
Para TDM, para cada circuito é designado o mesmo compartimento
Comutação de Pacotes
• Cada fluxo de dados fim a fim é dividido
em pacotes;
• Pacotes dos usuários A, B, C,
compartilham os recursos da rede;
• Cada pacote usa toda a banda do canal
(taxa de transmissão total do link);
• Recursos são usados quando necessário,
Comutação de Pacotes
• Disputa por recursos:
• A demanda total pelos recursos pode
superar a quantidade disponível;
• Congestionamento:
pacotes
são
enfileirados, esperam para usar o enlace;
• Armazena e retransmite: pacotes se
deslocam uma etapa por vez;
• Transmite num enlace;
• Espera a vez no próximo;
Comutação de Pacotes
Ethernet
100 Mbps
A
C
multiplexação estatística
1,5 Mbps
B
fila de pacotes
esperando pelo
enlace de saída
34 Mbps
D
E
Circuitos x Pacotes
• Comutação de Pacotes:
• Ótima para dados em surtos, compartilhar
recursos e não precisa estabelecer
conexão;
• Congestionamento excessivo com atraso
e perda de pacotes;
• Precisa de protocolos para transferência
confiável de dados, bem como controle
de congestionamento;
Circuitos x Pacotes
• Como fornecer um comportamento do
tipo circuito?
• São necessárias garantias de banda para
aplicações de áudio e vídeo;
• Ainda é um problema não resolvido;
Acesso Residencial
• Discado (Dialup) via modem: acesso
direto ao roteador de até 56Kbps, sendo
que não dá para navegar e telefonar ao
mesmo tempo.
• RDSI/ISDN: rede digital de serviços
integrados - conexão digital de 128Kbps
ao roteador.
• 2 linhas de 64Kbps (Internet e/ou
telefone)
• Serviço Multilink da Telefônica em SP;
Acesso Residencial
• ADSL: Asymmetric Digital Subscriber
Line – linha digital assimétrica de
assinante
• até 1 Mbps casa-ao-roteador (upload)
• até
10
Mbps
roteador-para-casa
(download)
• FDM:
• 50 kHz-1 MHz download;
• 4 kHz - 50 kHz upload;
• 0 kHz - 4 kHz telefonia;
Acesso Residencial
cable
modem
de/para
Terminal da
operadora
(Cable
Headend)
Laptops
wireless
roteador/
firewall
Ethernet
(pacotes comutados)
Ponto de
acesso
wireless
Acesso Residencial – Cable Modem
• HFC: hybrid fiber coax (rede híbrida - fibra
óptica e cabo coaxial);
• Assimétrico: até 30Mbps (downstream), 2
Mbps (upstream);
• Rede de cabos e fibra conectam as
residências ao roteador do provedor de
acesso (ISP);
• Acesso compartilhado ao roteador pelas
residências - implantação através de
empresas de TV a cabo como a VIRTUA
(Net).
Acesso Residencial
servidores
Terminal da
operadora
cable headend
Rede de distribuição
(simplificada)
casa
Tipicamente entre 500 a 5.000 casas
Acesso Residencial
FDM:
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
D
A
T
A
D
A
T
A
C
O
N
T
R
O
L
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Canais
cable headend
Rede de distribuição
(simplificada)
casa
Acesso Institucional
• Rede local - LAN (Local Area Network) da
empresa/universidade conecta sistemas
finais ao roteador de periferia;
• Ethernet:
cabos
compartilhados
ou
dedicados conectam o sistema final ao
roteador de periferia (pacotes com destino
externos à LAN);
• Taxas de Transmissão: 10 Mbs, 100Mbps,
Gigabit Ethernet, Terabit Ethernet;
Acesso Sem Fio
• Rede de acesso compartilhado sem fio
conecta o sistema final ao roteador via
estação base = “ponto de acesso”;
• LANs sem fio: dezenas de metros;
• ondas de rádio substituem os fios;
• 802.11b/g (WiFi - Wireless Fidelity): 11
Mbps ou 54 Mbps
Acesso Sem Fio
roteador
estação
base
hosts
móveis
Meio Físicos
• Na rede Ethernet, os meios físicos do IEEE
802.3 são codificadas como:
• <velocidade> <classe do meio> <distância>
<Mbps> <baseband ou broadband> <x 100 m>
Meio Físicos - Cabos
Meio Físicos
• Cabo coaxial: fio transporta o sinal dentro de
outro fio (blindagem);
• Banda básica (baseband): canal único no
cabo – sem Modulação – LAN – sinal digital;
• Banda larga (broadband): múltiplos canais
num cabo com modulação – LAN e TV – sinal
analógico;
• Cabo de fibra óptica: fibra de vidro transporta
pulsos de luz e opera em alta velocidade ex.: 10
à 100 Gbps com baixa taxa de erros:
repetidores mais afastados; imune a ruído
eletromagnético;
Meio Físicos - Cabos
Meio Físicos - Conectores
Meio Físicos - Cabos
Meio Físicos - Cabos
Provedores de Acesso - ISP
• No centro: ISPs “tier-1” - cobertura nacional
e/ou internacional
• Redes comerciais (ex. Embratel, Oi, Intelig,
MCI, UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T)
• Redes voltadas para Educação e Pesquisa
(consórcio): RNP (Rede Nacional de
Pesquisa), CLARA (Cooperação LatinoAmericana de Redes Avançadas), Internet2
(EUA), Géant (Europa);
Provedores de Acesso - ISP
Provedores
Tier-1 se interligam
(peer) de forma
privada
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Provedores de Acesso - ISP
ex. Embratel – banda nacional de 37Gbps
Roteadores Giga
http://www.embratel.net.br
PoP –pontos em que o ISP se conecta a outros
Conexões - Embratel
Estados Unidos: Verizon, Sprint, NTT e Global Crossing
Argentina: Verizon e Telmex; Portugal: Portugal Telecom
Conexões - Oi
Conexões - RNP
Provedores de Acesso - ISP
“Tier-2” ISPs: ISPs menores (em geral regionais)
• Conexão a um ou mais ISPs tier-1,
possivelmente a outros ISPs tier-2
Provedores de Acesso - ISP
“Tier-3” ISPs e ISPs locais
• rede de última milha (“acesso”) - próximo aos
sistemas finais;
Provedores de Acesso - ISP
Um pacote passa através de diversas redes!
Modelo OSI
Pilha de Protocolos Internet
• Aplicação: dá suporte a aplicações de rede FTP, SMTP, HTTP;
• Transporte: transferência de dados host-ahost - TCP, UDP;
• Rede: roteamento de datagramas da origem
até o destino - IP, protocolos de roteamento;
• Enlace: transferência de dados entre
elementos de rede vizinhos - PPP, Ethernet Placa de interface de rede;
• Física: bits “no fio”
Comunicação nas Camadas
dados
aplicação
transporte
rede
enlace
física
aplicação
transporte
rede
enlace
física
rede
enlace
física
aplicação
transporte
rede
enlace
física
dados
aplicação
transporte
rede
enlace
física
Comunicação nas Camadas
dados
aplicação
transporte
transporte
rede
enlace
física
aplicação
transporte
rede
enlace
física
ack
dados
aplicação
transporte
rede
enlace
física
rede
enlace
física
dados
aplicação
transporte
transporte
rede
enlace
física
Comunicação nas Camadas
origem
mensagem M
segmento Ht M
datagrama Hn Ht M
quadro Hl Hn Ht
M
aplicação
transporte
rede
enlace
física
Hl H n H t
M
enlace
física
H l Hn Ht
M
switch
destino
M
Ht
Hn Ht
Hl Hn Ht
M
M
M
aplicação
transporte
rede
enlace
física
Hn Ht
Hl Hn Ht
M
M
rede
enlace
física
Hn Ht
Hl Hn Ht
M
M
roteador