Motivação: Por que estudar Redes?

Principais conquistas tecnológicas do século XX:
aquisição, processamento, distribuição de
informações. Aconteceu uma explosão no número
de computadores e usuários;

Evoluindo, os sistemas da sociedade estão
baseados em computação e comunicação – são
inúmeros os serviços disponíveis exclusivamente na
Internet ;

Século XXI (01/01/2001 a 31/12/2100): demandas
cada vez mais sofisticadas.
Fundamentos de Redes de Computadores
1
Crescimento da Internet (1)
Contam-se os endereços IP que tem nomes atribuídos a eles
(Fonte: ftp.isc.org/www/survey/reports/current/hosts.png)
Fundamentos de Redes de Computadores
2
Crescimento da Internet (2)
Fundamentos de Redes de Computadores
Fonte: www.internetworldstats.com/stats.htm
3
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)
Fundamentos de Redes de Computadores
4
Década de 90
 Computadores autônomos interconectados;
 Internet tornou-se o componente central da infraestrutura mundial de telecomunicações: Rede de Redes.
 Dobra a cada 15 meses.
Fundamentos de Redes de Computadores
5
Hoje
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 (A volta do CPD?), onde se
“centralizam” aplicações, plataformas e infra-estrutura,
pressupõe-se uma rede particularmente forte (robusta,
segura)
6
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
7
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
Fundamentos de Redes de Computadores
8
Roteiro
1. Usos de Redes de Computadores
2. Hardware de Rede
3. Software de rede
4. Modelos de Referência
5. A Internet
Fundamentos de Redes de Computadores
9
Aplicações Comerciais
 Cliente/Servidor
 Servidores: Poderosos Computadores onde os dados
são armazenados;
 Clientes: Máquinas mais simples que acessam os
dados remotos.
Um servidor cuida de um número grande de clientes
Empresas maiores reúnem as redes através de VPNs –
Fundamentos de Redes de Computadores
Virtual Private Networks.
10
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.
 Messenger, twitter, facebook, wiki, leilão on-line, IPTV, jogos;
Fundamentos de Redes de Computadores
11
Usuários Móveis
 Há distinção entre redes
sem fio fixas e redes sem
fio móveis;
 Smartphones: convergência entre
telefonia e internet.
 Mobile Commerce: m-commerce;
(Bitcoins payment via celular?)
 Redes de Sensores;
 Computadores Embarcados (“batrelógio”).
Computação ubíqua:
computação
embutida no dia-a-dia =>
Fundamentos
de Redes de Computadores
12
redes sem fio cada vez mais importantes.
Implicações sociais
Novos problemas (sociais, morais, políticos ...):
 Excesso de informações, informações sem filtro, por vezes
ofensivas; Censurar? Leis conflitantes nos países. (ex:
cassinos e jogadores de países diferentes).
 Qual o papel dos operadores? Gmail pode ler seu e-mail...
 Como combater pirataria?
 Envio de mensagens anônimas, permite-se?
 Empregador pode investigar e-mail do empregado? E na
Universidade? E o Governo?
 Fraudes em grande escala – O crime organizado usa a
Internet. Roubo de identidade (phishing) através de coleta
de dados.
de Redes de Computadores
13
 Tribunais se lotamFundamentos
de casos..
.
Roteiro
1. Usos de Redes de Computadores
2. Hardware de Rede
3. Software de rede
4. Modelos de Referência
5. A Internet
Fundamentos de Redes de Computadores
14
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.
Fundamentos de Redes de Computadores
15
Escala
Fundamentos de Redes de Computadores
16
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.
O PC é o mestre , os dispositivos os escravos. O
mestre diz aos escravos que endereços usar, que
frequência usar, quando acessar o meio e tudo o
mais necessário para comunicação.
Fundamentos de Redes de Computadores
17
LAN – Local Area Networks
Características que a distinguem das demais:
 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 do tipo WiFi;
 Redes empresariais tendem a configurar VLANs (Virtual
LANs) – a rede física não reflete a estrutura organizacional.
Redes domésticas crescerão na medida da disponibilidade
de Redes
de Computadores
18
dos serviços úteis e Fundamentos
baratos.
(Serão
sem fio?)
MAN – Metropolitan Area Networks
Características:
 Versão aumentada da LAN – normalmente usa
tecnologia similar – cobre grupo de escritórios; pública
ou privada
 Rede de TV a
cabo. Operadoras
começaram a
oferecer serviços de
Internet em partes
não utilizadas do
espectro.
 WiMax
Fundamentos de Redes de Computadores
19
WAN – Wide 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 – computadores
especializados que conectam linhas de transmissão
(roteadores) .
Surgem ISPs
(Internet Service Providers)
Exps: Redes de satélites,
Redes de celular.
Fundamentos de Redes de Computadores
20
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.
21
A Camada Física
Wireless LAN
O princípio utilizado é a transmissão através de ondas
eletromagnéticas que se propagam no ar. O número de
oscilações por segundo é a frequência, medida em Hz.
O espectro eletromagnético:
22
A Camada Física
Bandas ISM
ISM – Industrial, Scientific, Medical – Bandas reservadas
pelos governos para uso sem licença, regulando a
potência utilizada.
•(a) Banda ISM nos EUA
•(b) Banda ISM no Brasil
23
A Camada Física
Bandas ISM
2,4GHz – usadas pelo 802.11b/g
5 GHz – usadas pelo 802.11a - Ambas usadas pelo 802.11n
• Espaços vazios em 700MHz autorizados pelo FCC
• (Federal Communications Commision) em 2009.
• 60 GHz – (logo antes do infra-vermelho) aberta pelo
FCC em 2001 para redes de curta distância.
• Começam a ser fabricados produtos compatíveis.
•Estratégias para concessão de frequências:
1. Concurso de beleza: a melhor proposta leva => suborno,
corrupção, nepotismo, etc.
2. Sorteio: => me candidato, ganho sorteio e vendo minha
parte
24
3. Leilão: usada em praticamente
todo o mundo. A Camada Física
A RNP

A RNP foi criada em 1989 pelo Ministério da Ciência
e Tecnologia (MCT) com o objetivo de construir uma
infra-estrutura de rede Internet nacional para a
comunidade acadêmica. A rede começou a ser
montada em 1991. Em 94, já atingia todas as regiões
do país.
 Telefonia sobre a rede Internet, TV digital transmitida
pela rede, educação a distância e videoconferência
IP são algumas das aplicações que estão sendo
implantadas.
Fundamentos de Redes de Computadores
25
Backbone
da RNP
Fundamentos de Redes de Computadores
26
Roteiro
1. Usos de Redes de Computadores
2. Hardware de Rede
3. Software de rede
4. Modelos de Referência
5. A Internet
Fundamentos de Redes de Computadores
27
Comutação de Pacotes
 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
Fundamentos de Redes de Computadores
28
Universidade
da Califórnia.
Comutação de Pacotes
 Roteadores normalmente interligados por rede pontoa-ponto (store-and-forward ou comutação de pacotes):
o pacote é recebido por roteador intermediário,
armazenado e encaminhado quando a linha solicitada
for liberada.
Fundamentos de Redes de Computadores
29
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). Fundamentos de Redes de Computadores
30
Atrasos e Perdas em Redes de
Comutação de Pacotes (Kurose) - 2
Atraso de Transmissão: tempo para “empurrar” bits para o
enlace. Suponha FIFO – 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)
dno  dproc  dfila  dtrans  dprop
Fundamentos de Redes de Computadores
31
Analogia da caravana (Kurose)
100 km
caravana
de 10 carros
pedágio
100 km
pedágio
Carro = bit; caravana = pacote
 Carros se “propagam” a 100 km/h
 Pedágios levam 12 s para atender um carro (TTransmissão).
O primeiro carro aguarda os outros 9 antes de passar.
Quanto tempo levará até a caravana ser alinhada antes do 2o
pedágio?
 Tempo para “empurrar” a caravana toda pelo pedágio até a
estrada = 12 . 10 = 120 s = 2 min (TTransmissão)
 Tempo para o último carro se propagar do 1o ao 2o pedágio:
100 km/(100 km/h) = 1 h = 60 min (TPropagação)
Fundamentos de Redes de Computadores
32
Resposta: 62 minutos
Atrasos de Fila (Kurose)
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.
Fundamentos de Redes de Computadores
O atraso médio cresce indefinidamente!
33
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.
Fundamentos de Redes de Computadores
34
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.
Fundamentos de Redes de Computadores
35
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.
Fundamentos de Redes de Computadores
36
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.
Fundamentos de Redes de Computadores
37
 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
de Redes de Computadores
38
tamanho limite e teveFundamentos
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.
Redes de Computadores
39
Comparação envolve Fundamentos
custode(banda
e tempo) x confiabilidade.
Exemplos de Serviço
Variações do Serviço Orientado a conexões:
 Sequências de Mensagens: limites das mensagens são
preservados;
 Fluxo de Bytes: Sem limites de mensagens - duas
mensagens de 1024 bytes podem ser agrupadas como um
fluxo de 2048 bytes.
Conexão não confiável: não perde tempo com confirmações
Fundamentos de Redes de Computadores
40
Primitivas de Serviço
Um serviço é especificado
por um conjunto de
primitivas (operações)
disponíveis para os
usuários do serviço.
Normalmente são
chamadas de sistema.
Uma interação clienteservidor simples, usando
datagramas confirmados:
Fundamentos de Redes de Computadores
41
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,Fundamentos
é possível
mudar um protocolo e
de Redes de Computadores
manter os serviços. Obs: Hoje se pesquisa cross-layer
42
Roteiro
1. Usos de Redes de Computadores
2. Hardware de Rede
3. Software de rede
4. Modelos de Referência
5. A Internet
Fundamentos de Redes de Computadores
43
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.
Fundamentos de Redes de Computadores
44
Princípios do Modelo OSI
• Cada nível deve realizar uma função bem definida;
• As fronteiras devem ser escolhidas para minimizar o
fluxo de informação entre as interfaces;
• A função de cada nível deve ser escolhida visando a
definição de protocolos padronizados
internacionalmente.
• O número de níveis deve ser grande o suficiente para
distinguir funções que não precisem ficar juntas, e
pequeno o suficiente para que a arquitetura não se
torne não manipulável.
Fundamentos de Redes de Computadores
45
Ilustração do Modelo OSI
 Composto de 7 níveis:
Fundamentos de Redes de Computadores
46
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.
Fundamentos de Redes de Computadores
47
Grupos de trabalho IEEE 802
Fundamentos de Redes de Computadores
48
Correspondência OSI - IEEE 802
Fundamentos de Redes de Computadores
49
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
Fundamentos de Redes de Computadores
50
Internet.
Correspondência TCP/IP - OSI
Modelo TCP/IP
com alguns
protocolos que
serão
estudados
Fundamentos de Redes de Computadores
51
Modelo Híbrido
Modelo de Referência adotado no curso CES-35
Fundamentos de Redes de Computadores
52
Roteiro
1. Usos de Redes de Computadores
2. Hardware de Rede
3. Software de rede
4. Modelos de Referência
5. A Internet
Fundamentos de Redes de Computadores
53
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;
Paul Baran
desenvolveu
modelo
robusto
distribuído
1957 – União Soviética
lançou o Sputnik, primeiro
satélite artificial antes do
EUA. Resposta: criação da
ARPA (Advanced
Research Projects Agency)
Fundamentos de Redes de Computadores
54
Histórico da Internet
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;
Fundamentos de Redes de Computadores
55
Histórico da Internet - 2
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;
Fundamentos de Redes de Computadores
56
Histórico da Internet - 2
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 infraFundamentos de Redes de Computadores
57
estrutura competitiva com fins lucrativos.
Histórico da Internet - 3
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
Novo Milênio - Aplicações Multimídia (Aúdio e Vídeo pela
Internet), Redes sem Fio e Redes Móveis (Quero me
comunicar de qualquer lugar a qualquer hora),
Segurança, P2P.
Fundamentos de Redes de Computadores
58
Quem é quem para padrões Internet
Termos importantes:
 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.
RFC's tornaram-se em59
Fundamentos
de Redes de As
Computadores
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);
CMTS – Cable Modem Termination System – aproveitam cabos de TV;
FTTH – Fiber to the Home;
POP – Point of Presence – onde pacotes entram no ISP;
Fundamentos
de Redes
de Computadores
60
IXP – Internet eXchange Points:
onde
ISPs
trocam tráfego (também
chamado NAP – Network Access Points).