Administração e Projeto de Redes
Material de estudo para
Tecnologia em Processamento de Dados
Volume 1
27/02/2006
2
Esclarecimentos



Esse material é de apoio para as aulas da disciplina e não
substitui a leitura da bibliografia básica
Os professores da disciplina irão focar alguns dos tópicos
da bibliografia assim como poderão adicionar alguns
detalhes não presentes na bibliografia, com base em suas
experiências profissionais
O conteúdo de slides com o título “Comentários adicionais”
seguido de um texto, se refere a comentários adicionais ao
slide cujo texto indica e tem por objetivo incluir alguma
informação adicional aos conteúdo do slide
correspondente.
3
Bibliografia básica


Soares: Redes de Computadores: Das LANs, MANs e WANs
às Redes ATM, Ed. Campus, 2ª Edição, RJ, 1995
 Luiz Fernando Gomes Soares
 Guido Lemos
 Sérgio Colcher
Kurose: Redes de Computadores e a Internet: Uma nova
abordagem, Ed. Pearson, 1ª Edição, SP, 2003
 James F. Kurose
 Keith W. Ross
(Nota: os códigos “Soares” e “Kurose” estarão sendo
referenciados ao longo desse material)
Semestre 1 Tópico 1
Introdução do curso com apresentação do
conteúdo programático e regras
administrativas.
Semestre 1 Tópico 2
Soares: Cap.1
Kurose: Tópicos 1.1 e 1.2
6
Evolução dos sistemas de computação

(1/3)
Década de 50: Processamento Batch
 Mainframe processando em lotes (batch), informações
originadas em cartão perfurado ou fitas magnéticas
 Usuários só tinham acesso ao resultado do
processamento ao final do mesmo, no escaninho de
saída do CPD
 O processamento ocorria em fila (FIFO - First In First
Out)
 Demanda de infra-estrutura complexa e cara
(temperatura e umidade controlada, grande consumo
de energia).
7
Evolução dos sistemas de computação

(2/3)
Década de 60: Processamento Time-Sharing
 Mainframe com processamento em tempo
compartilhado (Time sharing) onde o processador aloca
frações muito curtas de tempo para cada um dos
processos ativos. Não existe fila de processamento
 Terminais interativos remotos interligados ao Mainframe
processando em tempo compartilhado com vários
programas e usuários. Cada um tinha a percepção de
que estava usando sozinho, pois não precisava esperar
acabar um processamento para iniciar o próximo
 Demanda de infra-estrutura complexa e cara
(temperatura e umidade controlada, grande consumo
de energia).
8
Década de 60: Time sharing

Terminais de baixo custo conectados no mesmo prédio
onde estava o Mainframe.
9
Evolução dos sistemas de computação

(3/3)
Década de 70: Processamento distribuído
 Aparecimento dos Mini e Microcomputadores
 Terminais interativos remotos interligados ao Mainframe
processando em tempo compartilhado com vários
programas e usuários. Cada um tinha a percepção de
que estava usando sozinho, pois não precisava esperar
acabar um processamento para iniciar o próximo
 Demanda de infra-estrutura menos complexa e cara
(controle de temperatura mais simples, sem controle de
umidade e menor consumo de energia)
 Compartilhamento de periféricos de alto custo entre os
computadores (impressora, plotter, disco) através de
meios caros e de curta distância.
10
Rede de Computadores - Definição






Sistema de comunicação interconectando computadores
Sistema de comunicação:
 Meios de transmissão (enlaces físicos)
 Regras para concretizar a comunicação (protocolos)
Redes locais (LAN – Local Area Network)
Redes metropolitanas (MAN – Metropolitan Area Network)
Redes de longa distância (WAN – Wide Area Network)
Parâmetros que permitem diferenciar as redes:
 Tecnologias dos meios de comunicação
 Cobertura geográfica
 Velocidade de comunicação (taxa de transferência de
dados)
 Taxa de erro característica do meio de transmissão.
11
Comentários adicionais: Rede de Computadores - Definição



Inicialmente só existiam os conceitos LAN e WAN.
MAN surge com o aparecimento do padrão IEEE 802.6
(1981) padrão para transporte de dados em alta
velocidade numa região metropolitana.
MAN tem características semelhantes as das LANs, mas
cobrindo distâncias maiores.
12
Configurações LAN x MAN x WAN
MAN
LAN
Barramento
Estrela
WAN
Anel
13
Comentários adicionais: Configurações LAN x MAN x WAN

Na MAN existem 2 barramentos que saem do Head-End.
Cada um atende uma direção da transmissão, um que o
sinal sai e outro que o sinal chega.
14
Soluções Wireless x Cobertura
Wireless LAN
Wifi (Wireless Fidelity)
(IEEE 802.11)
Uso local
(hot-spot)
Bluetooth
Curta distância
Cobertura externa
WiMAX - Worldwide Interoperability for
Microwave Access (IEEE 802.16)
15
Soluções via serviço telefonia celular


Rede GPRS
 Usa tecnologia GSM
 Velocidade entre 9,6 Kbps e 115 Kbps
Rede WCDMA
 Usa rede CDMA
 Velocidade até 2Mbps.
16
O que é um protocolo ?

Um protocolo humano e um protocolo de rede de
computadores:
Alô
TCP pedido de
conexão
Alô
TCP resposta
de conexão
Que horas
são?
Get http://gaia.cs.umass.edu/index.htm
2:00
<arquivo>
tempo
17
Protocolo - Definição

Conjunto de regras e convenções que permitem a troca
confiável de informação entre dois ou mais dispositivos de
comunicação de dados.
18
Funções do protocolo de Comun. Dados





Estabelecer as características da interface física e funcional
dos sinais digitais: elétricas, mecânicas e funcionais
Estabelecer o código de representação da informação,
formatação e velocidade
Estabelecer as regras de controle de endereçamento
Estabelecer os processos de recuperação de erros: perda
de informação por erros, congestionamento, interrupção
da comunicação
Estabelecer as regras de controle de fluxo e prioridades.
19
O que é a Internet?

milhões de elementos de
computação interligados:
hosts, sistemas finais


pc’s, estações de trabalho,
servidores
telefones digitais,
torradeiras de pão, etc.
roteador
servidor
ISP regional
distribuídas
enlaces de comunicação

fibra, cobre, rádio, satelite
roteadores: enviam pacotes
(blocos) de dados através da
rede
móvel
ISP local
executando aplicações

estação

rede
corporativa
20
Aplicações IP “quentes
Moldura IP para retratos
http://www.ceiva.com/
O menor servidor Web do mundo
http://www-ccs.cs.umass.edu/~shri/iPic.html
Torradeira e previsão do tempo pela Web
http://dancing-man.com/robin/toasty/
21
O que é a Internet?



protocolos: controlam o envio e a
recepção de mensagens
 e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP
Internet: “rede de redes”
 fracamente hierárquica
 Internet pública e Internets
privadas (intranets)
Internet standards
 RFC: Request for comments
 IETF: Internet Engineering
Task Force
routeador estação
servidor
móvel
ISP local
ISP regional
rede
corporativa
Rede de Computadores –
Parâmetros de Comparação (1/3)
22


Custo (proporcional ao desempenho: complexidade do
protocolo e do meio de comunicação): considerar custo de
investimento e custo de operação
Retardo de transferência: tempo decorrido do momento
em que a informação está pronta para entrar no sistema
de comunicação até que chega no seu destino. É a soma
de:
 Retardo de acesso: tempo decorrido do momento em
que a mensagem está pronta para ser transmitida e o
instante em que o meio de comunicação permite
 Retardo de transmissão (latência): tempo de trânsito da
mensagem através do meio de comunicação.
23
Comentários adicionais: Rede de Computadores –
Parâmetros de Comparação (1/3)


Custo:
1. Definir custo de investimento, isso é, compra, imobilizado ou
CAPEX – Capital Expenses, e custo de operação, isso é, despesa,
aluguel, manutenção, serviço ou OPEX – Operational Expenses
2. Dar exemplos
Retardo de acesso:
1. Exemplificar retardo de acesso com o que ocorre em uma LAN
usando tecnologia Ethernet: fenômeno da colisão (esse conceito
será melhor explicado mais tarde)
2. Exemplificar retardo de transferência falando de ligação telefônica
fixa e celular (constatar que ao falar pelo celular, demora uma
fração de segundo para sua voz chegar ao destino: tempo de
digitalização e reconstituição da voz no destino como retardo de
acesso e tempo de transmissão como latência. Comunicação via
Fibra óptica tem muito menor latência que a via satélite, via rede
Frame Relay/ ATM/ X25 tem mais latência que ligação ponto-aponto.
Rede de Computadores –
Parâmetros de Comparação (2/3)
24


Modularidade: capacidade da rede aceitar alteração de
suas características (desempenho, funcionalidade,
capacidade,...) sem precisar alterar o projeto inicial
Compatibilidade/ Interoperabilidade: capacidade da rede
em se interligar com dispositivos de outros modelos ou
fabricantes com a mesma funcionalidade ou os mesmos
dispositivos de versões diferentes.
25
Comentários adicionais: Rede de Computadores –
Parâmetros de Comparação (2/3)



Exemplificar:
Modularidade (roteador para uso doméstico e roteador de
uso corporativo com módulos plug-ins)
Interoperabilidade (roteadores Cisco, 3Com, Juniper,
Linksys,... São compatíveis entre si).
Rede de Computadores –
Parâmetros de Comparação (3/3)
26





Confiabilidade: característica do dispositivo em não falhar.
É medida em taxa de falhas (MTBF – Mean Time Between
Failure). Exemplo: 1 falha a cada 50.000 horas
Mantenabilidade: característica da facilidade em sofrer
manutenção. É medida em tempo de reparo (MTTR – Mean
Time to Repair). Exemplo: 4 horas
Disponibilidade: característica do dispositivo em estar em
funcionamento. Exemplo: 0,99992 ou 99,992%
Indisponibilidade: inverso da Disponibilidade = (1 –
Disponibilidade). Exemplo: 0,00008 ou 42 minutos por ano
Disponibilidade = MTBF / (MTBF + MTTR)
.
27
Comentários adicionais: Rede de Computadores –
Parâmetros de Comparação (3/3)




Do exemplo da definição >> Disponibilidade = 50.000 /
(50.000 + 4) = 0,99992
Indisponibilidade = 0,00008
1 ano tem 365 dias x 24 horas x 60 minutos x
Indisponibilidade = tempo anual de indisponibilidade = 42
minutos
Exercitar outros exemplos numéricos.
28
Cálculo da Disponibilidade de um sistema

Dados:
 Disponibilidade dos componentes do sistema
 Topologia do sistema
 Exemplo com 2 componentes:
Associação série
Dispo = 0,9
Dispo = 0,9
Dispo = D1 x D2 x ...
Dispo = 0,9 x 0,9 = 0,81
Dispo = 0,9
Dispo = 0,9
Associação paralela
Dispo = 1 – (I1 x I2 x ...)
Dispo = 1- (0,1 x 0,1) = 0,99 .
29
Comentários adicionais: Cálculo da Disponibilidade de um sistema










Associação série:
Disponibilidade = Produto das disponibilidades dos componentes série
Nesse caso, a disponibilidade do sistema diminui, pois o sistema só
funciona se TODOS os componentes NÃO falharem.
Usar o valor das Disponibilidades
A fórmula vale para qualquer quantidade de componentes colocados
em série.
Associação paralela:
Disponibilidade = 1 – Produto das indisponibilidades dos componentes
em paralelo
Nesse caso, a disponibilidade aumenta, pois o sistema pára somente se
TODOS os componentes falharem.
Usar o valor das Indisponibilidades
A fórmula da Indisponibilidade vale para qualquer quantidade de
componentes em paralelo.
30
Exercício: Análise de Disponibilidade

a)
Calcule a Disponibilidade para as seguintes topologias (valores
didáticos):
MTBF = 10.000 horas
D=MTBF / (MTBF + MTTR) = ??
MTTR = 10 horas
b) D=0,9
D=0,9
D=??
c)
D=0,9
D=0,8
D=0,9
D=??
d)
D=0,9
D=0,8
D=0,9
D=??
D=0,5
31
Comentários adicionais: Exercício: Análise de Disponibilidade

a) D = 10000 / 10010 = 0,999

b) D = 0,9 x 0,9 = 0,81

c) D = 0,9 x 0,8 x 0,9 = 0,648

d) Dica: calcular primeiro a disponibilidade equivalente dos links
redundantes (paralelos)
links paralelos equivalente > D = 1 – 0,2 x 0,5 = 0,9
disponibilidade dos 3 elementos > D = 0,9 x 0,9 x 0,9 = 0,729.
Semestre 1 Tópico 3
Soares: Cap.2
Kurose: Tópicos 1.3 e 1.4
33
Composição da rede



borda da rede: aplicações e
hosts
núcleo da rede:
 roteadores
 rede de redes
redes de acesso, meios
físicos:
enlaces de comunicação
34
Topologias de rede
Rede peer-to-peer
Poucos usuários
Compartilhamento de recursos
Arquitetura Cliente-Servidor
35
Comentários adicionais: Topologias de rede


A rede peer-to-peer é mais simples e barata, mas muito
mais limitada e de difícil administração. Muito usada em
redes pequenas compartilhando recursos como
impressoras, acesso Internet, Disco.
Na arquitetura cliente-servidor, parte do sistema está no
servidor e parte no cliente e ambos interagem. Existe um
conceito chamado de “3Tier”, onde existe um terceiro
elemento intermediário (o terceiro parceiro) que interage
com o cliente e o servidor, criando quase que um
“isolamento” do sistema, também chamado de “Mediation”.
36
Topologias de rede


Rede “a”: uso de concentradores para reduzir o custo da
comunicação. Maior vulnerabilidade da rede
Rede “b”: rede mista. Conceito Internet. Baixa
vulnerabilidade. Maior custo.
37
Comentários adicionais: Topologias de rede


Comentar que a topologia “a” é utilizada pelas empresas
que implementam suas redes de comunicação de dados
privativa assim como ainda é a utilizada pelas provedoras
de serviço de comunicação de dados (X25, Frame Relay e
ATM) e também pelo sistema telefônico.
Comentar que a topologia “b” é a da Internet ou nas redes
corporativas ou das provedoras de serviço utilizando
protocolo IP.
38
Tipos de ligação
Ponto-a-ponto
Multiponto
39
Forma de uso do meio de comunicação
Simplex
Half-duplex
ou
Full-duplex
40
Topologia Estrela
41
Topologia em Anel
42
Rede totalmente ligada







Todos os nós têm ligação entre sí 2-a-2
Quantidade de links é a COMBINAÇÃO 2-a-2 (“p”=2) dos “n” nós
C(n,p) = n! / (p! x (n-p)!)
Valor aproximado no caso 2-a-2 = n2/2
No exemplo: C(5,2) = 5! / (2! X 3!) = 10
É a solução mais segura, MAS...
Não é uma solução econômica.
43
As bordas da rede

sistemas finais (hosts):




modelo cliente/servidor



executam programas de aplicação
localizam-se nas extremidades da rede
Exemplo: WWW, email
o cliente toma a iniciativa enviando
pedidos que são respondidos por
servidores
Exemplo: WWW client (browser)/ server;
email client/server
modelo peer-to-peer:


Prevê simetria de comunicação
Exemplo: teleconferência.
Borda da rede: serviço orientado à
conexão
44


Meta: transferência de dados
entre sistemas finais
handshaking: estabelece as
condições para o envio de
dados antes de envia-los
atualmente
 Alô: protocolo humano




transferência de dados
confiável e seqüêncial,
orientada a cadeia de bytes


estados de “conexão”
controlam a troca de
mensagens entre dois
hosts
TCP - Transmission Control
Protocol
 realiza o serviço orientado
à conexão da Internet
serviço TCP [RFC 793]
controle de fluxo:


perdas: reconhecimentos
e retransmissões
evita que o transmissor
afogue o receptor
controle de congestão:

transmissor reduz sua
taxa quando a rede fica
congestionada.
45
Borda da rede: serviço sem conexão


Meta: transferência de
dados entre sistemas finais
 o mesmo de antes!
UDP - User Datagram
Protocol [RFC 768]:
Oferece o serviço sem
conexão da Internet
 transferência de dados
não confiável
 sem controle de fluxo
 sem controle de
congestão


App’s usando TCP:
 HTTP (WWW), FTP (file
transfer), Telnet
(remote login), SMTP
(email)
App’s usando UDP:
 streaming media,
teleconferência,
telefonia IP.
46
O núcleo da rede


malha de roteadores
interconectados
A questão fundamental: como os
dados são transferidos através da
rede?
 comutação de circuitos: usa
um canal dedicado para cada
conexão. Ex: rede telefônica
 comutação de pacotes: dados
são enviados em “blocos”
discretos, na base FIFO.
47
Núcleo da Rede: Comutação de Circuitos






Recursos fim-a-fim são reservados
por “chamada”
taxa de transmissão, capacidade
dos comutadores
recursos dedicados: não há
compartilhamento
desempenho análogo aos circuitos
físicos (QoS garantido)
exige estabelecimento de conexão
Exemplo semelhante: processo de
ligação telefônica.
48
Comentários adicionais: Núcleo da Rede: Comutação de Circuitos




Recursos da rede (ex., capacidade de transmissão) dividida
em “pedaços”
Pedaços alocados às chamadas
Pedaço do recurso disperdiçado se não for usado pelo dono da
chamada (sem divisão)
Formas de divisão da capacidade de transmissão em “pedaços”
 divisão em freqüência
 divisão temporal.
49
Núcleo da rede: comutação de pacotes




A
B
cada fluxo de dados fim-afim é dividido em pacotes
cada pacote usa toda a
banda disponível ao ser
transmitido
recursos são usados na
medida do necessário
Não há alocação fixa de
recursos



10 Mbits/s
Ethernet multiplexação estatística C
1.5 Mbits/s
fila de pacotes
esperando pelo
enlace de saída
D
45 Mbits/s
E

contenção de recursos:
a demanda agregada por
recursos pode exceder a
capacidade disponível
congestão: filas de
pacotes, aumento do
tempo de envio, perda de
pacotes
store and forward:
pacotes se movem de um
roteador para o outro
antes de serem
retransmitidos
 transmite no enlace
 espera vez no enlace.
50
Comentários adicionais: Núcleo da rede: comutação de pacotes


Comentar que na comutação de pacotes não existe
alocação fixa de recursos
Comentar da necessidade de dimensionamento de buffers.
51
Núcleo da rede: Comutação de Pacotes

Comportamento store and forward: “como uma onda no
mar”
52
Comutação de Pacotes versus de Circuitos


Comutação de Pacotes
permite que mais usuários
usem a mesma rede!
Exemplo:
 Enlace de 1 Mbit/s
 cada usuário a
100Kbits/s quando
“ativo”
 Usuário ativo 10% do
tempo
N usuários


Solução para comutação
de circuitos:
 10 usuários
Solução para comutação
de pacotes:
 com 35 usuários,
probabilidade > 10
ativos menor que
0,0004.
enlace de 1 Mbit/s
53
Comentários adicionais: Comutação de Pacotes versus de Circuitos










Cálculo da probabilidade usando Distribuição Binomial:
P(x=k) = C(n,k) p^k q^(n-k)
N qtdd de tentativas
k qtdd de sucessos
p probabilidade de sucesso
q probabilidade de insucesso (1-p)
P(x=k) probabilidade do evento ocorrer exatamente k vezes em n
tentativas
No caso, calcular P(x=0) + P(x=1) + ... + P(x=10) = (x menor ou
igual a 10) = 0,9996
P(x > 10) = 1- P(x<=10) = 1 - 0,9996 = 0,0004
Veja planilha Excel com esses cálculos (Distribuicao binomial.xls).
54
Comutação de Pacotes versus de Circuitos
A comutação de pacotes é melhor sempre?
 Boa para dados esporádicos (tráfego em rajadas)
 Boa para pacotes de tamanho pequeno para melhor
compartilhamento de recursos
 Não há estabelecimento de chamada
 Problema devido ao alto tráfego: Congestão excessiva:
atraso e perda de pacotes (descarte)
 Necessário protocolos para transferência confiável e
controle de congestionamento (controle de fluxo).
55
Exercício: Análise de disponibilidade

Analisar alternativas de melhoria de disponibilidade da
seguinte rede, através de mudanças na topologia da
mesma e calcular a melhoria obtida no índice de
disponibilidade entre os nós 1 e 4:
5
DRoteador=DLink=0,9
4
3
8
7
9
2
6
1
56
Comentários adicionais: Exercício: Análise de disponibilidade








Os valores de disponibilidade são meramente para efeitos didáticos. Os
valores reais são bem melhores que isso)
Disponibilidade 1-4 antes da mudança: trecho 1-2-4: D=0,9 x 0,9 x 0,9
x 0,9 x 0,9 = 0,59
Disponibilidade 1-4 interligando o nó 4 com o 7: aparece o caminho
alternativo 1-6-7-4. Cálculo da disponibilidade equivalente:
Passo 1: Elementos série: link 1-2, nó 2, link 2-4 > D=0,9 x 0,9 x 0,9
= 0,729 > I = 1- 0,729 = 0,271
Passo 2: Elementos série: link 1-6, nó 6, link 6-7, nó 7, link 7-4 >
D=0,9 x 0,9 x 0,9 x 0,9 x 0,9 = 0,59 > I = 1-0,59 = 0,41
Passo 3: resultado do passo 1 em paralelo com resultado passo 2 > D
= (1-0,271 x 0,41) = 0,888
Passo 4: associação série nó 1, resultado passo 3 e nó 4 > D = 0,9 x
0,888 x 0,9 = 0,719
Conclusão: a disponibilidade que era 0,59 melhorou para 0,719.