Seminário IT
1-Março-1999
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Tópicos - 1ª Parte
• O que são as redes de computadores
• Que funcionalidades oferecem
• Quais os principais componentes
• Como são organizadas
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Evolução Histórica
* Computadores centrais isolados
* Necessidade de um computador ter acesso a informação
produzida noutro
* Redes experimentais (ARPANET)
* Avanços nas telecomunicações
* Avanços na tecnologia dos processadores (década de 80 microprocessadores)
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Rede de Computadores
• conjunto de computadores interligados
através de linhas de comunicação e usando
protocolos comuns
Sistema Distribuído
• sistema constituído por vários
computadores, mas cuja realização física é
transparente ao utilizador
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Finalidades das Redes
- Partilha de Recursos (discos, impressoras,
comunicações, ...)
- Sistemas dedicados (file-server, communicationserver, ...)
- Alta fiabilidade
- Economia
- Natureza distribuída das organizações
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Aplicações das Redes
•
Reservas aéreas
•
Informações meteorológicas
•
Fábrica / Armazém / Administração
•
Informação a nível mundial
•
Troca rápida de informação entre empresas
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Estruturas das Redes
• Computadores
• Hardware
• Software
• Rede de comunicação / linha de
transmissão
• meios de transmissão
• meios de comutação
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Topologia das Redes
Modo como os elementos da rede estão
interligados
•
•
•
•
•
Centralizadas
Anel
Árvore
BUS
Irregulares
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Taxonomia das Redes
• LAN (Local Area Network)
( > 1 Mbps)
• WAN (Wide Area Network)
( <= 64kbps)
• MAN (Metropolitan Area Network)
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Tipos de Redes
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LANs
WANs
• Velocidades grandes
• Distâncias geográficas
pequenas
• Tempos de atraso
pequenos
• Todos os computadores
ligados directamente à
rede
• Velocidades pequenas
• Distâncias geográficas
grandes
• Tempos de atraso
grandes
• Acesso através de nós
de rede
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Normalização
De Jure
De Facto
Necessidade
•
•
Evitar a multiplicação de protocolos incompatíveis
Criar plataforma de entendimento de conceitos
Vantagens
•
•
Independência dos utilizadores sobre os fabricantes
Investimento de longo prazo
Desvantagens
•
•
Processo moroso e pesado
Soluções atingidas nem sempre são as óptimas por se terem de
atingir compromissos
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Organismos de Telecomunicações e
Normalização
• CCITT - Comité Consultatif International de
Télégraphique et Téléphonique (ITU-T)
• ISO - International Standards Organization
• IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
• IETF - Internet Engineering Task Force
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O Modelo de Referência
OSI
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Protocolo
(Uma primeira definição informal)
Conjunto de regras e estruturas de dados trocadas
entre dois computadores para garantir uma
comunicação coerente
- Estruturas de dados: formatos das mensagens trocadas entre os
computadores, e seu significado
- Regras: sequenciamento das mensagens trocadas entre os
computadores
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Definições Fundamentais
(algumas)
- Rede ponto-a-ponto
(point-to-point)
- Rede de difusão
(broadcast)
- Rede de comutação de
circuitos
- Rede de comutação de
pacotes
- Armazenamento e envio (store
and forward)
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Conversores
de
Protocolos
Gateway - conversor ao nível 7 do modelo de referência OSI
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Tipos de Serviços
Connection Oriented Services
Modo de comunicação no qual as entidades, antes de
comunicarem, negoceiam o estabelecimento de uma ligação,
depois comunicam e, quando a comunicação já não é
necessária desactivam a ligação
Connectionless Services
Modo de comunicação no qual as entidades se limitam a trocar
mensagens (datagramas) sempre que tal é necessário
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Conceitos Adicionais
Arquitectura de Rede
- Conjunto de camadas, suas funcionalidades e protocolos
Interface
- Unidade funcional que separa 2 níveis adjacentes
(Exº Interface Transporte <-> Rede )
API - Application Programming Interface
- Interface aplicacional (conjunto de funções) que dá acesso às facilidades de
um determinado nível
(Exº TLI - Transport Layer Interface)
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Processamento de Mensagens
Modelo de Referência OSI
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Funções dos Níveis
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Físico (Physical)
•
Transmissão de bits num canal de comunicação
•
Interfaces físicas, eléctricas e mecanicas do meio de transmissão
Dados (Data Link)
•
Usar os mecanismos do nível físico para fornecer ao nível de rede
um canal de transmissão virtualmente sem erros
•
Envia e recebe sequêncais de bits, detecta eventuais erros e
assinala a recepção de sequencias correctas ao emissor
–
Estabelece e reconhece limites de sequencias
–
Reconhece erros
–
Reconhece sequencais duplicadas
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Funções dos Níveis
Rede (Network)
•
•
•
•
Controlo da operação de transferência de dados
Como fazer chegar uma mensagem da origem ao destino
Controlo de fluxo
Contabilização
Transporte (Transport)
•
•
•
•
•
Transmissão fiável entre os 2 computadores de mensagens arbitrárias e
isolando características dos níveis inferiores
Assegurar ligação de dados origem/destino
Fragmenta a mensagem em pedaços aceitáveis pelos níveis inferiores
Assegura multiplexagem de ligações caso seja necessário para assegurar
qualidade de serviço
Controlo de fluxo entre computadores
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Funções dos Níveis
Sessão (Session)
•
Permite estabelecimento de sessões entre aplicações que funcionam
os sistemas que comunicam
–
Promove controlo de interacção
(Exº Full-duplex, half-duplex, ...)
–
Permite sincronização entre entidades remotas
Apresentação (Presentation)
•
Faculta serviços comuns as diferentes aplicações, nomedamante as
relativas à sintaxe e semântica da informação a transmitir
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Funções dos Níveis
Aplicação (Application)
•
Realiza os serviços realmente interessantes para o utilizador
–
Terminal Virtual
–
Transferência de ficheiros
–
Correio Electrónico
–
Directório
–
Gestão da rede
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Meios de Transmissão
Par entrançado
Conjunto de fios de cobre enrolados entre si, como uma helicoidal, e
isolados electricamente
•
Largura de banda depende da espessura dos fios (cobre e isolante) e
do passo da helicóide.
•
São um meio económico
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Meios de Transmissão
Cabo Coaxial
•
Velocidade de transmissão depende do tipo de cabo coaxial
(diâmetros, ...)
•
Ligações são dispendiosas (fichas especiais)
•
Exigem terminações eléctricas
•
Ligações são dispendiosas
•
Limites de distância dependem de tipo de cabo e frequência de
transmissão
•
Ligações tem de respeitar certos limites (distância entre ligações,
por exemplo
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Meios de Transmissão
Fibra Óptica
•
Fio de sílica central, com protecção exterior
•
Fibra mono-modo ou multi-modo
•
Emissão de informação através de modulação de luz através de LEDs
•
Ligações difíceis e dispendiosas
•
Transmissão a grandes distâncias
•
Alta capacidade de envio de informação
•
Alta imunidade ao ruído
Ligação Satélite
•
Feixe de micro-ondas para receber e enviar
•
Atrasos grandes
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Transmissão Analógica
O Sistema Telefónico
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Modos de Transmissão
Transmissão Assíncrona
O emissor só envia informação quando precisa
Necessários mecanismos para o receptor estar de acordo com o
que o emissor envia
–
Start bit
–
Stop bit
–
Acordo velocidade, dimensão caracter e paridade
Transmissão Síncrona
O emissor está sempre a enviar informação para o receptor
–
Velocidade estabelecida por hardware
–
Dimensão de caracter e paridade negociadas
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ISDN / RDIS
ISDN / RDIS
Migração para uma rede totalmente digital até ao assinante, que
integre todos os serviços
Redesenho do sistema telefónico para suportar serviços digitais
integrados
Serviços telefónicos mais avançados (identificação originador,
follow-me, bloqueio números, ...)
•
ligação de computador
•
fax Grupo IV
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ISDN/RDIS
Tecnologia de Comutação de Circuitos
Circuitos Virtuais Múltiplos, com uma só interface
–
D - sinalização
–
B - dados (cada canal B são 64kbps)
CCITT I.430, I.431, Q.921, Q.931
Sistema de numeração semelhante ao telefónico (E.164)
•
Tipos de Acessos
–
Básico: 2B+D
–
Primário: 30B+D
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IEEE 802
Normas para Redes Locais
IEEE 802.3 - Ethernet (CSMA/CD)
IEEE 802.4 - Token Bus
IEEE 802.5 - Token Ring
também ISO 8802, ...
IEEE 802.1 - Introdução às normas seguintes e definição de primitivas
IEEE 802.2 - Define parte superior do Data Link Layer (LLC - Logical Link
Control)
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IEEE 802.3
Cabo Grosso (Cabo Coaxial)
•
•
•
•
•
Topologia em Bus
Comprimento até 500 m por segmento
Ligações de estações em cada 2,5 m
Ligação com Transceiver ligado ao cabo e com Drop Cable até ao
computador
Cabo com Terminações de 50 ohm nos extremos
Cabo Fino (Cabo Coaxial)
•
•
•
•
Topologia em Bus
Comprimento até 180 m por segmento
Ligação directa ao computador
Cabo com Terminações de 50 ohm nos extremos
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IEEE 802.3
Cabo UTP (Par entrançado)
•
Topologia em estrela
•
Baseada num repetidor de onde partem os cabos UTP, até 100 m
de distância
•
Fichas de ligação RJ-45
Alta fiabilidade relativamente ao cabo coaxial, pois interrupções
ou curto circuitos num troço não perturbam os outros
computadores
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IEEE 802.3
7
Preambulo
1
Del.
2 ou 6
2 ou 6
2
End. Destino
End. Origem
Comp.
Dados
0 a 1500
Dados
0-46
PAD
4
Checksum
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IEEE 802.3
Endereço Ethernet
•
6 bytes (80-34-F3-AA-01-0D, por exemplo)
Unívoco a nível mundial - está no hardware e é fornecido pelo fabricante
Endereços Especiais
•
Bit mais significativo a 1 - acesso a um grupo de estações (multi-cast)
•
Todos os bits a 1 - acesso a todas as estações (broadcast)
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Problemas a Resolver
•
Erros no Canal de Comunicação
•
Tempos de comunicação não nulos
•
Meio de comunicação half-duplex ou full-duplex
•
Limites na dimensão das mensagens
•
Limites físicos nos computadores da rede (buffers)
•
Diferente velocidade de processamento dos 2 computadores
envolvidos
Objectivo
•
Facultar uma interface bem definida ao nível de rede, isolando-o das
particularidades do nível físico em uso
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Utilizador do Serviço
(Nível de rede)
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Primitivas OSIUtilizador do Serviço
(Nível de rede)
Pedido/Request
Indicação/Indication
Fornecedor do
Serviço (nível de
dados)
Resposta/Response
Confirmação/Confirm
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Primitivas OSI
Pedido/Request
Usada para pedir um serviço ao nível abaixo
Indicação/Indication
Usada para notificar o nível acima que há um pedido de comunicação
Resposta/Response
Usada para informar o nível abaixo que a comunicação foi aceite
Confirmação/Confirm
Nível abaixo informa que o nível homólogo (peer layer) aceitou o pedido
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Controlo de Fluxo
O que acontece se o receptor não consegue
aceitar os dados ao ritmo do sistema que
envia?
Deve haver modo de o nível de rede ser avisado que deve parar de
enviar dados (temporáriamente)
•
Notificação explícita
•
Notificação implícita
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Detecção e Correcção de Erros
Como vimos há que tomar em consideração, entre outros problemas:
•
Erros no Canal de Comunicação
•
Tempos de comunicação não nulos
•
Meio de comunicação half-duplex ou full-duplex
•
Limites na dimensão das mensagens
–
•
Um tipo de erro muito comum resulta do ruído impulsivo
Longas sequências de bits totalmente erradas
Taxa de erro de uma linha pode ser medida através da taxa de erro
4 Exº
10-3
10-5
10-9
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Técnicas de Tratamento de Erros
Recuperação de Erros
Transmitir, juntamente com a informação útil, informação redundante que
permita o receptor recuperar os erros que eventualmente existam
•
Técnica boa para erros simples (um só bit errado)
•
Percentagem de informação redundante é elevada
Detecção de Erros
Transmitir, juntamente com a informação útil, informação redundante que
permita o receptor saber se o que recebeu está certo ou errado.
•
Bit de paridade
•
CRC - Cyclic Redundancy Check
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CRC - Cyclic Redundancy Check
Código polinomial
Tratar a sequência de bits a transmitir como a sequência de coeficientes de
um polinómio
Técnica
4 Adicionar à sequência dos K bits a transmitir uma sequência de M bits
calculados segundo um determinado polinómio
4 O receptor usa o mesmo polinómio sobre os K bits da sequência
recebida e compara o resultado com os M bits recebidos
CRC-CCITT
x^16 + x^12 + x^5 + 1
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Protocolos do Nível de Dados
O nível de dados aceita um pacote do nível de rede
•
Junta-lhe um cabeçalho (header)
•
Junta-lhe um terminador (trailer)
•
Junta-lhe um CRC e envia-o para o nível físico.
Exº
ToData (BitSequence)
ToPhysical (BitSequence)
FromPhysical (BitSequence)
FromData (BitSequence)
Realização: software, hardware, firmware
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Protocolos do Nível de Dados
Protocolo (Stop and Wait)
Emissor envia pacote
Fica à espera de sinalização de pacote bem recebido
Se não receber sinalização de sucesso retransmite ao fim de um tempo
(timeout)
Se recebeu confirmação envia novo pacote
Resolve problema de pacotes destruídos parcial ou totalmente por erros
Funciona em canal half-duplex
E se o pacote original chegou bem, mas a confirmção se perdeu?
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Protocolos do Nível de Dados
E se o tempo de propagação entre emissor e receptor é longo?
•
Uso pouco eficiente do meio de transmissão !
Exº Duração envio pacote: 10ms
Tempo de propagação no canal: 500ms
Janela Deslizante
Cada pacote enviado vai numerado (entre 0 e um máximo: 2^n-1)
Em cada instante o emissor mantem uma lista dos números de pacotes,
consecutivos, que pode enviar
Receptor confirma o número dos pacotes recebidos com sucesso
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Protocolos do Nível de Dados
Envio de pacotes numerados desde que o número do pacote esteja dentro
da janela disponível (pipelining)
Receptor assinalada número dos pacotes recebidos correctamente
E se há erro ?
•
Voltar atrás n pacotes (Go back n)
•
Repetição selectiva
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HDLC - High-level Data Link Control
SDLC (IBM)
ADCCP (ANSI)
HDLC (ISO)
LAP (CCITT - Link Access Procedure)
LAPB
Alguns pontos comuns
•
Bit oriented
•
Usam bit-stuffing
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HDLC
Endereço - Usado em ligações multi-ponto
Controlo - números de sequência, confirmações, ...
Dados - pode levar qualquer sequência arbitrária de dados (se for
muito grande o CRC perde eficiência, i.e., a capacidade de
detecção de erros do CRC diminui)
CRC - possibilita ao receptor a validação do pacote recebido
Trama (Frame) - Pacote (packet) embebido em informação de controlo
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HDLC
Tipos de tramas HDLC (veiculadas no campo de controlo)
• Informação
• Trama normal de dados
• Supervisão
–
Transmissão de informação sobre o estado da transmissão
• Não numerada
–
Usada para efeitos de comunicação de informação de controlo
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HDLC
Trama de informação
•
Número de sequência da trama
•
Número da última trama não recebida (próximo)
•
P/F (Poll / Final ) é usado para solicitar uma trama ao receptor. As
tramas enviadas pelo receptor tem o bit P/F a P excepto a última que o
tem a F
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HDLC
Trama de supervisão
Tipo 0 - RECEIVE READY
Usado para indicar a nova trama esperada
Tipo 1 - REJECT
Indica que um erro foi detectado. Próximo indica a primeira trama da
sequênica não correcta
Tipo 2 - RECEIVE NOT READY
Assinala recepção correcta da trama do campo próximo, mas solicita ao
emissor para parar
Tipo 3 - SELECTIVE REJECT
Pede a transmissão só da trama assinalada
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HDLC
Trama não numerada
Semântica das mensagens depende das várias variantes do nível de dados
(HDLC, LAP, ...)
DISC - disconnect, quando um sistema pretende informar o interlocutor que
tem de parar a comunicação de imediato
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O Nível de Rede
Resolve o problema do envio de pacotes de uma origem
a um destino
Pode envolver a passagem por diversos nós intermédios
É o nível mais baixo que envolve a ligação entre os sistemas terminais
(os 2 computadores que constituem os sistemas comunicantes do
modelo de referência OSI)
O nível de dados só tratava de enviar tramas ao longo de um fio.
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O Nível de Rede
Serviços facultados ao Nível de Transporte
•
Fornecer serviços independentes da(s) tecnologia(s) subjacentes
•
Isolar o nível de transporte do número, tipo e topologia das redes
existentes
•
Fornecer um sistema de endereços uniforme através da rede
O Nível de Rede pode correr em equipamentos dedicados e o Nível de
Transporte corre nos computadores ligados à rede
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Nível de Rede
Orientado à Ligação (Connection Oriented - CO)

Antes de trocar dados é estabelecida uma ligação, à qual é atribuido um
identificador especial que é usado daí para a frente

Se a rede não puder assegurar uma qualidade de serviço (QOS - Quality of
Service) rejeita a ligação

A comunicação é bidireccional e os pacotes são entregues por ordem e sem
erros

Após inicio da ligação os sistemas comunicantes podem negociar
parâmetros da ligação

É efectuado controlo de fluxo para contemplar diferentes velocidades de
acesso

Quando já não é necessário trocar dados a ligação é desfeita
Exº X.25
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Nível de Rede
Livre de Ligação(Connection Less - CL)

O originador limita-se a enviar dados para o destinatário

O nível de rede tenta fazer chegar os pacotes ao destinatário

Os pacotes podem ser perdidos

Os pacotes podem chegar fora de ordem

Os pacotes podem chegar duplicados

A rede reage a pacotes enviados a ritmo demasiado elevado, normalmente
destruindo os pacotes que não consegue entregar
Exº IP
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Endereços
Meio de identificar a fonte e o destino de um processo de
comunicação
Endereço NSAP constituido por:
•
AFI - Autority and Format Indicator
•
IDI - Initial Domain Identifier
•
DSP - Domain Specific Part
•
IDP - Initial Domain Part
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O Nível de Rede
Internamente o nível de rede está organizado como um
conjunto de nós de comutação (ou nós intermediários)
interligados entre si
A transferência de pacotes da entrada para a saída pode ser:
•
Fixa (circuito virtual) - os pacotes seguem sempre o
mesmo percurso entre os 2 sistemas comunicantes
•
Adaptável (datagramas) - cada pacote segue um percurso
que depende da situação da rede no momento
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Encaminhamento - (routing)
Escolha do percurso que um pacote deve seguir da origem ao destino
Algoritmo de encaminhamento - parte da rede que estabelece o
percurso dos pacotes
. Circuitos Virtuais - algoritmo de encaminhamento é calculado no
instante em que a ligação é estabelecida
. Datagramas - o algoritmo de encaminhamento é calculado para
cada pacote
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Congestão da Rede
Fenómeno que se verifica numa rede quando nesta
são introduzidos pacotes a um ritmo superior à sua
capacidade de transmissão
Idealmente a número de pacotes transmitidos pela
rede deveria proporcionalmente ao número de
pacotes que lhe são entregues, até se atingir a
capacidade máxima da rede
Na prática verifica-se muitas vezes o seguinte
fenómeno (congestão)
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X.25
Nível de Rede em Redes Públicas
Normas de 1976, 1980, 1984, 1988
Exº X.25/1984
DTE - Data Terminal Equipment
DCE - Data Circuit Equipment
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X.25
Nível 3 do X.25 faz a gestão das ligações entre dois
DTEs
Tipos de ligações
• Circuitos Virtuais
• Circuitos Virtuais Permanentes
Uma ligação inicia-se com um pedido de
estabelecimento de um circuito virtual
À ligação é atribuido um número (pequeno inteiro)
que identifica o circuito virtual
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X.25
Endereçamento
Endereços X.121
•
Código de País (DNIC)
•
Endereço de Rede
•
Sub-endereço
Exº 0268004010314
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Modo PAD
Ligação de Terminais assíncronos a sistemas
remotos acessíveis por X.25
Normas:
- X.3, X.28 e
X.29 (XXX - triple X)
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Serviços Fornecidos
O Nível de Transporte fornece serviços ao Nível de Sessão
O Nível de Transporte usa os serviços que lhe são fornecidos pelo Nível
de Rede
Os serviços são oferecidos a entidades residentes nos computadores que
comunicam (aos processos que comunicam, um em cada computador)
Há dois tipos de serviços de transporte:
-
Connection-oriented
-
Connection-less
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O Nível de Transporte
Nível de protocolos fundamental na arquitectura de rede
 Promove um mecanismo de comunicação fiável entre os 2 sistemas
que comunicam, de um modo independente das redes físicas em uso.
 Este nível é usado em muitos casos em que é necessário o transporte
de sequências de bits entre sistemas, mas não é preciso tudo o resto
que lhe está sobreposto (exº pipes entre 2 sistemas UNIX ligados em
rede)
 A ARPANET assenta as aplicações directamente no seu nível de
transporte
 Tecnologias de rede (níveis 1 a 3) é de esperar que variem muito com a
evolução tecnológica. O nível de transporte é (+ ou -) estável.
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Serviços Fornecidos
O Nível de Transporte fornece serviços ao Nível de Sessão
O Nível de Transporte usa os serviços que lhe são fornecidos pelo Nível
de Rede
Os serviços são oferecidos a entidades residentes nos computadores que
comunicam (os processos que comunicam, um em cada computador)
Há dois tipos de serviços de transporte:
-
Connection-oriented
-
Connection-less
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Qualidade de Serviço
QOS - Quality of Service
.
Se o serviço de rede fornece um serviço fiável o nível de transporte
precisa de fazer pouco
.
Se o serviço de rede é pouco robusto o serviço de transporte precisa
suprir este problema
Para medir o desempenho do nível de transporte define-se um conjunto de
objectivos que o permitem medir
Seminário IT
1-Março-1999
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Parâmetros
de Qualidade de Serviço
Tempo de Estabelecimento de Ligação
Probabilidade de Falha de Estabelecimento de ligação
Throughtput
Atraso de Trânsito
Taxa de Erro Residual
Probabilidade de Falha de Transferência
Atraso de Libertação de Ligação
Probabilidade de Falha de Libertação de Ligação
Protecção
Prioridade
Pedro Veiga - FC/UL
Seminário IT
1-Março-1999
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Pedro Veiga - FC/UL
Protocolos de Transporte
Semelhante aos protocolos do nível de rede mas:
. No nível de rede há uma ligação ponto-a-ponto por baixo
. No nível de transporte há uma rede inteira por baixo
O nível de rede tem capacidade de armazenar pacotes e entregálos com atrasos, por vezes significativos
Tipos de Redes
A - Sem erros e sem RESETs
B - Sem erros mas com RESETs
C - Com erros, pacotes perdidos e/ou duplicados e com RESETs
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Classes de
Protocolos de Transporte
Pedro Veiga - FC/UL