Tele-Processamento e Redes
(Redes de Computadores)
Prof. Fábio Moreira Costa
Capítulo 1
Introdução

Usos de redes de computadores e suas implicações

Hardware de redes: visão geral


LANs, MANs, WANs, PANs, SANs

Tecnologias de interconexão (com fio, sem fio, broadcast)
Software de redes: visão geral

Protocolos de rede: hierarquias, camadas

Serviços: interfaces, primitivas, com e sem conexão

Modelos de referência: OSI, TCP/IP

Exemplos de redes e serviços de comunicação

Capítulo 1, Tanenbaum
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2
Comentários Iniciais

No princípio: computadores isolados, sem
comunicação

Cenário intermediário: computadores
(mainframes) com terminais conectados a eles
através de linhas telefônicas ou canais
dedicados


Relação mestre-escravo
Atualmente: convergência das tecnologias de
computação e comunicações

Conectividade em rede tornou-se a regra
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3
Rede de Computadores

Uma coleção interconectada de computadores
autônomos.

Interconectividade: computadores capazes de
trocar informações


Cabo de cobre, fibra ótica, micro-ondas, satélite, etc.
Autonomia: computadores são independentes
entre si

Nenhuma relação do tipo mestre-escravo: em geral, um
computadore não pode controlar outros na rede
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4
Rede de Computadores (2)
intranet

ISP



backbone
satellite link
desktop computer:
server:
network link:
[Coulouris,Dolimore&Kindberg, 2001]
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5
Redes vs. Sistemas Distribuídos

Sistema Distribuído: mascara a existência de
múltiplos computadores autônomos

Transparência: a rede se passa por um sistema
computacional unificado - um uniprocessador virtual


Rede de computadores: uso explícito dos recursos
na rede


O sistema operacional distribuído (ou middleware) se
encarrega dos problemas relativos à distribuição
Ex.: login, acesso a arquivos remotos, disparo de
processos remotos, aspectos de localização
Uma questão de software
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6
Usos de Redes de
Computadores


Em empresas

compartilhamento de recursos

elevada confiabilidade e disponibilidade

economia - fator custo/desempenho

meio de comunicação
Indivíduos

acesso a informações remotas

meio de comunicação

entretenimento
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Implicações Sociais

Privacidade

Segurança

Sobrecarga de informações


Facilidade de se publicar idéias


ex.: e-mail spams
mais quantidade do que qualidade
Questões éticas
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Algumas Novas Aplicações

Correio eletrônico

Multimídia e Hipermídia distribuída

Grupos de discussão

Teleconferência

Ensino à distância

Comércio eletrônico

Jogos interativos à distância

TV interativa
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Hardware de Redes

Classificações de redes

Redes de broadcast vs. ponto-a-ponto

Área de cobertura da rede



Redes locais (LAN)

Redes metropolitanas (MAN)

Redes de longa distância (WAN)

Redes de área pessoa (PAN)

Redes de área de sistema (SAN)
Redes sem-fio vs. redes com fio
Inter-redes (internetworks)
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10
Redes de Broadcast (difusão)

Todas as estações conectadas a um meio físico
compartilhado

Mensagens (pacotes) enviados por uma
estação são vistas por todas as demais

Endereçamento:

para destinos específicos: unicasting

Mensagens endereçadas para outras máquinas são
ignoradas

para todas as estações: broadcasting

para grupos de estações: multicasting
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11
Redes ponto-a-ponto

Conexões dedicadas interconectam pares de
estações

Mensagens precisam passar por estações
intermediárias até chegar ao destino

roteamento

caminhos alternativos

Em geral: unicasting

Broadcasting/Multicasting: requer o envio de
múltiplas mensagens
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12
Área de Cobertura de uma Rede

0.1m:
multiprocessadores, máquinas data flow

1m:
multicomputadores

1-10m:
redes de área de sistema (SAN), cluster,
redes de área pessoal (PAN)

10-1000m:
redes locais (LAN)

10Km:
redes metropolitanas (MAN)

> 100Km:
redes de longa distância (WAN),
redes globais (ex.: Internet)
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13
Redes Locais (LAN)


Área de cobertura limitada

Dentro de uma área física

Dentro de uma instituição

Permite suposições sobre:

atrasos de transmissão, padrões de uso

Simplifica o projeto e gerenciamento
Meios de transmissão

Meios compartilhados (broadcast)

Cabos de cobre, fibra ótica, rádio
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14
Redes Locais (2)

Desempenhos típicos

Taxas de transmissão: 10Mbps – 1Gbps


1 megabit = 1.000.000 bits (não 220 bits!)

Atrasos de transmissão: da ordem de dezenas de
microssegundos

Taxa de erros: 10-6 – 10-9
Topologias

Barramento

Anel
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15
Redes Locais (3)
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16
Redes Locais (4)

Controle de acesso ao meio

Estático


Reservar fatias de tempo fixas para cada estação
transmitir
Dinâmico

Centralizado: um nó central da rede dertermina qual
estação será a próxima a transmitir, com base em algum
algoritmo de alocação

Descentralizado: cada estação decide quando transmitir ou
não

Algoritmos (distribuídos) de controle de contenção
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17
Redes Metropolitanas

Versão ampliada de uma rede local



Protocolos e estruturas especiais para lidar
com distâncias maiores
Tipicamente sem elementos de chaveamento


Meio compartilhado, controle de acesso ao meio, etc
Uma única rede física (ex. um par de cabos)
Atualmente:

Tecnologias LAN / WAN têm ganhado terreno no
contexto de redes metropolitanas
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18
Redes Metropolitanas (2)

Exemplo clássico

DQDB (Distributed Queue Dual Bus) – IEEE 802.6 MAN
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19
Redes de Longa Distância (WAN)

Extensão geográfica

Dois tipos de hardware:

Hosts: processamento de aplicação


Estações de trabalho, sistemas terminais (end systems)
Sub-Rede de comunicação (subnet): dedicada à condução
de mensagens entre hosts

Linhas de comunicação (canais, circuitos, troncos)

Elementos de comutação (chaveamento): computadores
especializados usados para interconectar duas ou mais linhas de
transmissão

Ponto-a-ponto
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20
WANs – Elementos de
Comutação

Designações alternativas:

nós de comutação de pacotes
sistemas intermediários

centrais de comutação de dados

roteadores


Recebem dados (pacotes) por meio de uma linha de
transmissão e os re-transmitem por meio de outra

Roteamento de pacotes


Host de origem  nós intermediários  host de destino
Store-and-forward, comutação de pacotes
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21
WANs – configuração típica
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22
WANs – Topologias
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23
Redes Sem Fio (wireless)

Mobilidade + Conectividade

Dispositivos móveis


Aplicações móveis


Escritório portátil, serviços de emergência, etc...
Alternativa a redes com cabeamento


PDAs, notebooks, telefones celulares
Em edifícios antigos/históricos
Distâncias variadas (tecnologias diferentes)

poucos metros: LANs (802.11), PANs (Bluetooth)

a alguns kilômetros: WANs (sitema móvel celular)
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24
Redes Sem Fio (2)

Taxas de transmissão mais baixas que em
redes com cabeamento


Taxas de erros mais altas


2Mbps a 11Mbps tipicamente (até 54Mbps)
Interferência de sinal, caminhos múltiplos
Problemas de segurança
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25
Inter-Redes (Internetworking)

Conectando redes independentes e
possivelmente incompatíveis para formar uma
teia de redes

Gateways: resolvem as incompatibilidades (de
hardware e software) entre as redes
interconectadas

Conversão de protocolos, tipos de serviço,
endereçamento, etc.
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26
Interconexão de Redes
Rede de
Interconexão
Gateway
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27
Software de Redes

Hierarquias de protocolos e camadas

Interfaces (entre camadas ajacentes) e
serviços

Serviços orientados a conexão e sem conexão

Primitivas de serviço

Serviços Vs. Protocolos
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28
Hierarquias de Protocolos
Objetivo: Estratificar
a rede em camadas,
de forma a simplificar
o
projeto/implementação
Uma camada utiliza
serviços da camada
inferior e oferece
serviços para a
camada superior
Camada n
Fornece
serviço
Requisita
serviço
Camada n-1
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29
Hierarquias de Protocolos (2)

Em cada máquina, o hardware/software de
redes é estruturado em camadas

A camada n em uma máquina “conversa” com
a camada n em outra máquina

Protocolo da camada n: acordo mútuo sobre como
a comunicação deve proceder (na camada n)


Regras de formatação e tipos de pacotes, ordem dos
pacotes, etc.
Detalhes de camadas inferiores são abstraídos
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30
Hierarquias de Protocolos (3)
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31
Hierarquias de Protocolos (4)

Camadas adjacentes interagem
através de interfaces bem
definidas

Operações e serviços que a camada
inferior oferece à camada superior

Contribui para a independência entre
as implementações das camadas

A implementação de uma camada pode
ser substituída por outra implementação
sem afetar as camadas adjacentes

Camada n
Interface
()
Camada n-1
Desde que a interface seja preservada!
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32
Hierarquias de Protocolos (5)

Arquitetura de rede:

Conjunto de camadas e protocolos

Pilha de protocolos

Especificação completa para garantir a
interoperabilidade de implementações diferentes
com respeito ao protocolo de cada camada

Não são parte da arquitetura:

Detalhes de implementação

Especificação das interfaces entre camadas
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33
Hierarquias de Protocolos:
Uma Analogia
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34
Hierarquia de Protocolos:
Fluxo de Informações
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35
Camadas de Protocolos:
Aspectos de Projeto

Identificação e endereçamento


Regras de transferência de dados


Transmissores e receptores
Simplex

Half-duplex

Full-duplex
t1
t2
Controle de erros de transmissão

Protocolos para detecção e correção de erros
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36
Camadas de Protocolos:
Aspectos de Projeto (2)

Ordem das mensagens



Controle de fluxo



Numeração seqüencial
Re-ordenação
Protocolo de acknowledgement
Fixar um limite à taxa de transmissão
Tamanho das mensagens aceitas pela camada


Quebra e re-montagem de mensagens longas
Combinação e desmembramento de msgs. curtas
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37
Camadas de Protocolos:
Aspectos de Projeto (3)

Multiplexação


Uso de uma mesma conexão para transmitir
múltiplas “conversações” entre processos diferentes
Roteamento

Definir o caminho pelo qual mensagens trafegarão
para atingir o destino
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38
Interfaces e Serviços:
Terminologia
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39
Interfaces e Serviços:
Terminologia
Entidades
pares
Entidade
da camada
n+1
n+1-PDU
Interface
IDU
IDU
ICI
SDU
SDU
SDU’
n-PDU
ICI
SDU”
n-PDU
A camada n oferece um serviço à camada n+1
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40
Serviços Orientados a Conexão




Uma conexão precisa ser estabelecida antes
que mensagens individuais sejam transmitidas
A conexão permanece aberta enquanto durar a
transmissão das mensagens (sessão)
A conexão é fechada quando a sessão terminar
Todas as mensagens transmitidas por uma
conexão estão sujeitas ao mesmo tratamento


Propriedades da conexão, rota associada, etc.
A ordem das mensagens é preservada
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41
Serviços sem Conexão

Cada mensagem individual

é independente das demais

contém o endereço completo do destino

pode ser roteada por um caminho diferente

A ordem das mensagens pode ser alterada
(incidentalmente)

Às vezes chamado de serviço de datagrama
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42
Qualidade de Serviço

Confiabilidade


nível de perda e/ou “embaralhamento” de
mensagens
Serviços orientados a conexão são tipicamente
confiáveis neste sentido




baseados em seqüências de mensagens
baseados em fluxo de bytes
overhead adicional para estabelecer a conexão
garantia de alta confiabilidade: acknowledgement

Embora nem toda aplicação possa aceitar o overhead
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43
Qualidade de Serviço (2)

Em serviços de datagrama (sem conexão)

Tipicamente não confiáveis

As mensagens têm uma boa probabilidade de serem
entregues ao destino, mas sem garantias

Serviço de datagrama confiável: acknowledgement

Em um nível mais elevado: request-reply A

B
Típico em sistemas cliente/servidor
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44
Tipos de Serviço: Resumo
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45
Primitivas de Serviço

Usadas pela entidade da camada n+1 para
determinar a ação de serviço a ser executada
pela entidade da camada provedora (n)

Classificação das primitivas comuns
Primitiva
Significado
Requisição
Uma entidade requer que o serviço realize alguma tarefa
Indicação
Uma entidade é informada sobre a ocorrência de um evento
Resposta
Uma entidade quer responder a um evento (ou requisição)
Confirmação
A resposta a uma requisição anterior foi recebida
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46
Primitivas de Serviço - Exemplo
Computador 1
Computador 2
CONNECT.request
CONNECT.indication
CONNECT.response
CONNECT.confirm
DATA.request
DATA.request
DATA.request
DATA.indication
...
DATA.indication
DATA.indication
DISCONNECT.request
DISCONNECT.indication
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Primitivas de Serviço: Visualização
em Camadas
Computador 1
Computador 2
CONNECT.request
CONNECT.indication
CONNECT.response
CONNECT.confirm
DATA.request
DATA.request
DATA.request
DATA.indication
...
DATA.indication
DATA.indication
DISCONNECT.request
DISCONNECT.indicatio
camada n+1
camada n+1
camada n
camada n
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48
Primitivas de Serviços
Legenda:
1- CONNECT.request
5- DATA.request
2- CONNECT.indication
6- DATA.indication
3- CONNECT.response
3- DISCONNECT.request
4- CONNECT.confirm
4- DISCONNECT.indication
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Serviços vs. Protocolos

Serviço:

Conjunto de primitivas que uma camada provê para a
camada imediatamente superior



Definido pela interface entre as duas camadas
Protocolo:

Conjunto de regras governando o formato e o significado das
mensagens (ou quadros, ou pacotes) trocadas entre
entidades pares em uma mesma camada

Relacionado com a implementação do serviço
Dois conceitos distintos/independentes
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50
Modelos de Referência

OSI-RM

TCP/IP
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51
O Modelo de Referência OSI


Padrão ISO (International Organization for
Standardization)
Conexão de sistemas abertos


Divide uma arquitetura de redes em camadas


Sistemas capazes de se comunicar utilizando
protocolos e serviços padrão (não-proprietários)
Sete camadas no total
Valor histórico-didático atualmente

Implementações não atingiram o mercado
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52
O Modelo de Referência OSI
53
OSI: Princípios para definição
das camadas

Cada camada define um nível de abstração diferente

Cada camada realiza uma função bem definida

Protocolos padronizados internacionalmente em cada camada

Minimizar o fluxo de informações entre camadas

Número de camadas


Grande o suficiente para não misturar funções diferentes

Pequeno o suficiente para não dificultar o projeto e implementação de
uma arquitetura de redes
OSI-RM não define uma arquitetura de redes em si

Apenas a funcionalidade associada a cada camada

Padrões complementares da ISO: protocolos e serviços para as camadas
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54
OSI: Camada Física

Transmissão de bits “crus” em um canal de
comunicação

Um bit transmitido como 1 deve ser recebido como 1 (e não
0) do outro lado do canal
Níveis de voltagem para representar 1s e 0s

Duração do sinal correspondente a cada bit


Direcionalidade da transmissão   

Estabelecimento e término de conexões

Interface física


Aspectos mecânicos, elétricos e procedurais
Meio físico de transmissão
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55
OSI: Camada de Enlace

Prover um canal lógico de comunicação

Livre de erros não detectados

Estruturado

Fluxo de dados é segmentado em quadros (frames) transmitidos
seqüencialmente

Delimitadores de início e fim de quadros


Padrões de bits especiais
Com reconhecimento de quadros transmitidos/recebidos

Quadros especiais de acknowledgement (ACK)

Evitar a perda de quadros
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56
Camada de Enlace: Problemas a
serem resolvidos

Delimitação de quadros

Perda e adulteração de quadros


Detecção e correção de erros

Retransmissão
Duplicação de quadros retransmitidos

Ex.: se o reconhecimento de um quadro for perdido

Controle de fluxo

Transmissão eficiente de quadros de ACK


Piggybacking: ACKs pegam carona em quadros transmitidos no sentido
oposto ao dos quadros sendo reconhecidos
Controle de acesso ao meio: Sub-camada MAC
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57
OSI: Camada de Redes

Controle da operação da sub-rede




Roteamento
Controle de congestionamento
Contabilização de uso da rede (para efeitos de custo)
Conexão de redes heterogêneas

conversão de protocolos, endereços, etc.
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58
OSI: Camada de Transporte

Segmentação de mensagens

Em unidades (pacotes) menores que possam ser
tratadas pela camada de redes

Se necessário
Camada de
Transporte
Mensagem
Camada de
Redes
Pacotes
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59
Camada de Transporte (2)

Multiplexação de várias conexões de transporte
em uma única conexão da camada de redes (a)

Uso de várias conexões em nível de rede para
transmitir uma única conexão de transporte (b)
Camada de Transporte
Camada de Transporte
Camada de Redes
Camada de Redes
(a)
(b)
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60
Camada de Transporte (3)


Tipo de serviço provido à camada superior

Conexão ponto-a-ponto confiável (livre de erros)

Datagrama (mensagens isoladas), sem garantias de
ordenação

Broadcast de mensagens para múltiplos destinos
Controle de fluxo
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61
Camada de Transporte (4)

Comunicação fim-a-fim

Entre processos localizados em máquinas diferentes
Um nível adicional de endereçamento
Host B
Host A

Conexão de rede
Conexão de transporte
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