Redes de
Computadores I
Prof. Mateus Raeder
Universidade do Vale do Rio dos Sinos
- São Leopoldo -
Sumário
• Aula passada
• Camadas de protocolos
– Modelo de referência OSI
• Atrasos
• Exercícios
Redes de Computadores I – Prof. Mateus Raeder
Protocolos
• Conjunto de regras que determinam como
deve ocorrer a comunicação entre duas
estações em uma rede
– Mensagens específicas são enviadas
– Ações específicas são tomadas
Redes de Computadores I – Prof. Mateus Raeder
Protocolos
• Em redes de computadores
Pedido de conexão
Protocolos definem
formato, ordem de
mensagens enviadas e
recebidas entre
entidades de rede e
ações tomadas ao
enviar ou receber uma
mensagem.
Resposta positiva
GET: http://www.inf.unisinos.br
<arquivo>
tempo
Redes de Computadores I – Prof. Mateus Raeder
Protocolos Hierárquicos
• Redes de computadores modernas
– organizadas de uma forma estruturada
– componentes hierarquizados em camadas
• Por quê?
– isolar as camadas superiores dos detalhes de
implementação dos níveis inferiores
– possibilitar a substituição da implementação de
uma camada por outra
Redes de Computadores I – Prof. Mateus Raeder
Camadas de Protocolos
• Redes são complexas!
– Muitos componentes
• Hosts
• Roteadores
• Enlaces
• Aplicações
• Protocolos
• Hardware, Software…
Pergunta:
Como organizar melhor
a estrutura da rede?
Divisão em camadas
Redes de Computadores I – Prof. Mateus Raeder
Modelo de Camadas
• Por que usar camadas?
• Ao lidar com sistemas complexos:
– Estrutura explícita permite identificação de relações entre
componentes do sistema complexo.
• Modelo de referência para discussão.
– Modularização facilita implementação, atualização do
sistema
• Mudanças de implementação do serviço da camada é
transparente ao resto do sistema
• Exemplo: mudança no procedimento do portão não afeta o
resto do sistema
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Modelo de Camadas
• Modelo de Referência OSI
– Conjunto de diretrizes para
permitir interconexão de redes
heterogêneas
– Define sete camadas cada um
com um conjunto de funções
específicas
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
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Modelo de Referência OSI
Máquina A
Máquina B
Protocolo de aplicação
Aplicação
Apresentação
Sessão
Protocolo de apresentação
Protocolo de sessão
APDU
PPDU
SPDU
Protocolo de transporte
TPDU
Transporte
SUB-REDE DE COMUNICAÇÕES
Rede
pacote
Enlace
quadro
Físico
bit
Roteador
Roteador
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Modelo de referência OSI
Aplicação
• Nível Físico
– transmissão de bits através do
canal de comunicação
• manipulação das características
mecânicas, elétricas, funcionais e
procedurais para acessar o meio
físico
Apresentação
Sessão
Transporte
– Taxas de transferência
– Controle de acesso ao meio
Rede
• Move os bits através do meio de
transmissão
Enlace
Física
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Modelo de referência OSI
Aplicação
• Nível de Enlace
– Transmite/recebe conjuntos de bits
chamados quadros (frames)
– Detecta/corrige erros do meio de
transmissão
– Implementado parte em software, parte
em firmware (programação
permanente da placa de rede)
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
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Modelo de referência OSI
Aplicação
• Nível de Rede
– Permite que os dados sejam
enviados em pacotes a
máquinas em outras redes que
não a local
• Roteamento
• Localização dos computadores na
Internet
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
– Rota do pacote
Enlace
Física
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Modelo de referência OSI
• Nível de Transporte
– provê comunicação
transparente e confiável entre
pontos finais
– Provê ordenação
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
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Modelo de referência OSI
Aplicação
• Nível de Sessão
– Noção de “período de
utilização”
• Tempo durante o qual um usuário
interage com o sistema
• Ex.: Autenticação no site do banco é
válida por alguns minutos
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
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Modelo de referência OSI
• Nível de Apresentação
– provê independência para as aplicações
em relação às diferentes formas de
representação dos dados
• Converte dados para um formato
conhecido pelo protocolo
• Compressão de dados e criptografia
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
• Nível de Aplicação
– transferência de arquivos, e-mail
– terminal virtual
– serviço de diretórios
Rede
Enlace
Física
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Modelo de referência OSI
• Modelo de Referência OSI
– Não obteve êxito comercial
– Modelo Internet cresceu mais
rapidamente
– Modelo OSI muito complexo
• Primeiras versões demoraram a ser
lançadas e não tinham bom
desempenho
– Modelo Internet mais simples e
eficiente
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
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Modelo de referência OSI
• Nem sempre precisamos usar todas as
camadas
• O software de rede não deve exigir isso!
– Ex.: FTP não usa criptografia, Email não usa a
noção de sessão
• É possível, portanto, fazer um programa que
usa diretamente a camada de rede, por
exemplo
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Modelo de Camadas
• Pilha de Protocolos da Internet
– Aplicação: suporta aplicações de rede
• FTP, SMTP, HTTP
– Transporte: transferência de dados entre
sistemas terminais
Aplicação
Transporte
• TCP, UDP
– Rede: roteamento de datagramas da
origem ao destino
• IP
– Enlace: transferência de dados entre
elementos de rede vizinhos
• PPP, ethernet
Rede
Enlace
Física
– Física: bits “nos fios”
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Modelo de Camadas
• Comunicação vertical
– Cada nível comunica-se apenas com
camadas adjacentes
– Dentro do mesmo dispositivo
• Comunicação horizontal
– Camadas adicionam informações de
controle no cabeçalho da
mensagem (overhead)
– No destino, cada camada processa o
cabeçalho referente a sua camada
no host de origem
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
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Camadas: comunicação lógica
• Cada camada:
– Distribuída
– “Entidades”
implementam
funções da camada
em cada nó
– Entidades realizam
ações, trocas de
mensagens com
pares
Aplicaçã
o
Transport
e
Rede
Enlace
Física
Aplicaçã
o
Transport
e
Rede
Enlace
Física
Rede
Enlace
Física
Aplicaçã
o
Transport
e
Rede
Enlace
Física
Aplicaçã
o
Transport
e
Rede
Enlace
Física
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Camadas: comunicação lógica
• Ex.: transporte
dados
– Obtém dado da
aplicação
– Inclui informação
para confiabilidade
– Envia datagrama ao
par
– Espera receber
“ack” (confirmação)
do par
Aplicaçã
o
Transport
e
Rede
Enlace
Física
dados
Aplicaçã
o
Transport
e
Rede
Enlace
Física
Rede
Enlace
Física
ack
Aplicaçã
o
Transport
e
Rede
Enlace
Física
dados
Aplicaçã
o
Transport
e
Rede
Enlace
Física
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Camadas: comunicação física
dados
Aplicaçã
o
Transport
e
Rede
Enlace
Física
Aplicaçã
o
Transport
e
Rede
Enlace
Física
Rede
Enlace
Física
Aplicaçã
o
Transport
e
Rede
Enlace
Física
dados
Aplicaçã
o
Transport
e
Rede
Enlace
Física
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Camadas e protocolos de dados
• Cada camada recebe dados da camada superior
• Acrescenta um cabeçalho com informação para criar nova
unidade de dados
• Passa nova unidade de dados para camada inferior
M
Ht
M
Hn Ht
M
Hl Hn Ht
M
Origem
Destino
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
M
Mensagem
Ht
M
Segmento
Hn Ht
M
Datagrama
Hl Hn Ht
M
Quadro
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Atrasos
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Visão geral de uma rede
Transmissor ou origem
Canal de comunicação
interface
interface
dado
Receptor ou destino
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Atrasos
• Enquanto um pacote viaja de um nó (seja um host ou
roteador) até o nó subseqüente, o pacote sofre diversos tipos
diferentes de retardo (ou atraso) em cada nó ao longo do
trajeto
• Os mais importantes são:
–
–
–
–
–
Atraso de processamento nodal -> Dpro
Atraso de enfileiramento -> Dqueue
Atraso de transmissão -> Dtrans
Atraso de propagação -> Dprop
Atraso nodal total -> Dnodal
Transmissão
A
B
Propagação
Processamento
nodal
Enfileiramento
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Atraso de Processamento
•
•
•
(Dproc) Atraso de processamento: o tempo necessário para examinar o
cabeçalho do pacote e determinar onde enviar o pacote é parte do atraso
de processamento
O atraso de processamento pode também incluir outros fatores, tais como o
tempo necessário para verificar se há erros eventualmente ocorridos ao
transmitir os bits do pacote do host ao roteador A
Os atrasos de processamento em roteadores de alta velocidade estão
tipicamente na ordem de microssegundos ou menores. Após este
processamento nodal, o roteador envia o pacote à fila que precede a
ligação até o roteador B
Transmissão
A
B
Propagação
Processamento
nodal
Enfileiramento
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Atraso de enfileiramento (ou fila)
•
•
•
•
Uma vez na fila o pacote experimenta um atraso de enfileiramento Dqueue
enquanto espera para ser transmitido na ligação.
O atraso de enfileiramento de um pacote específico dependerá da
quantidade de outros pacotes que chegaram anteriormente, que são
enfileirados e estão aguardando a transmissão através do enlace.
Se a fila estiver vazia e nenhum outro pacote estiver sendo transmitido no
momento, então o atraso de enfileiramento do pacote é zero.
Já se o tráfego for pesado e muitos outros pacotes também estiverem
esperando para ser transmitidos, o atraso de enfileiramento será longo.
Transmissão
A
B
Propagação
Processamento
nodal
Enfileiramento
Redes de Computadores I – Prof. Mateus Raeder
Atraso de Transmissão
• O pacote só pode ser transmitido se todos os pacotes que
chegaram antes já tiverem sido transmitidos.
• Tendo o comprimento do pacote representado por L bits e
considere a taxa de transmissão do enlace roteador A ao roteador B
de R bits/sec
• A taxa R é determinada pela taxa de transmissão do enlace ao
roteador B
– Ethernet-10Mbps, a taxa é R=10 Mbps
– Ethernet-100Mbps, a taxa é R=100 Mbps
• O atraso de transmissão é L/R. Esta é a quantidade de tempo
necessário para transmitir todos os bits do pacote para o enlace. Na
prática, os atrasos de transmissão estão tipicamente na ordem dos
microsegundos ou menos.
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Atraso de Transmissão
• R = banda do enlace (bps)
• L = tamanho do pacote (bits)
• Tempo para transmitir pacote no enlace = L/R
Transmissão
A
B
Propagação
Processamento
nodal
Enfileiramento
Cuidado para não
confundir com
atraso de
propagação
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Atraso de Propagação
• (Dprop) PROPAGAÇÃO:
– Uma vez que um bit seja empurrado no link, ele necessita
propagar para o roteador seguinte (B). O tempo gasto para
propagar do começo do link até o router B é o atraso de
propagação. Bit propaga na velocidade da propagação do link
– A velocidade de propagação depende do meio físico do link
(i.e., fibra, fio de cobre....)
– O atraso da propagação é a distância entre os dois roteadores
dividida pela velocidade da propagação no link. Isto é, o atraso
da propagação é D/S, onde D está a uma distância entre os
roteadores A e B, e S é a velocidade de propagação no link.
– Em redes WAN, os atrasos de propagação estão na ordem de
milisegundos.
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Atraso de Propagação
• D = distância do enlace físico
• S = velocidade de propagação média
(~2x108 m/seg  ~velocidade da luz)
• Atraso de propagação = D/S
Transmissão
A
B
Propagação
Processamento
nodal
Enfileiramento
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Atraso de Transmissão x Atraso de
Propagação
• Importante entender a diferença entre atraso de
propagação e atraso de transmissão. A diferença é sútil, mas
importante.
– Atraso de transmissão: quantidade de tempo exigida para o
roteador “empurrar” o pacote. É uma função do comprimento
do pacote e da taxa de transmissão do link, mas não tem
relação com a distância entre dois roteadores.
– Atraso de propagação: tempo que um bit leva para propagar
de um roteador ao seguinte. É uma função da distância entre os
dois roteadores, mas não tem relação com o comprimento do
pacote, nem com a taxa de transmissão da ligação.
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Analogia da rodovia
• Uma analogia pode esclarecer as noções
do atraso da transmissão e da propagação
• Considere uma estrada que tenha uma
cabine de pedágio a cada 100 quilômetros.
• Pensar nos segmentos da estrada entre
cabines do pedágio como links, e as
cabines do pedágio como routers.
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Analogia da rodovia
• Suponha que os carros viajam na estrada a uma
taxa (instantânea) de 100Km/h (isto é,
propagação).
• Há uma caravana de 10 carros que estão viajando
juntos.
• Pensar em cada carro como um bit e o comboio
como um pacote.
• Cada cabine de pedágio presta serviços para
cada carro em um tempo de 12 segundos (isto é,
transmite 5 carros/minuto)
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Analogia da rodovia
• A caravana, são os únicos carros na
estrada
• Sempre que o primeiro carro da caravana
chega em uma cabine de pedágio, espera
até os nove outros carros chegarem e se
alinharem atrás dele (caravana inteira é
“armazenada” na cabine do pedágio
antes de começar a ser “enviada”)
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Analogia da rodovia
• O tempo necessário para a cabine do
pedágio “empurrar” (servir) a caravana
inteira na estrada é:
[10 carros / (5 carros/minuto)] = 2 minutos.
– R = banda do enlace (bps)
– L = tamanho do pacote (bits)
Este tempo é análogo ao atraso de
transmissão em um roteador
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Analogia da rodovia
• O tempo para um carro viajar desde a
saída de uma cabine até a próxima é:
– 100Km / (100Km/h) = 1hora
Este tempo é análogo ao atraso da
propagação.
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Atraso Nodal Total
• Considerando Dproc, Dqueue, Dtrans, e Dprop denotando
respectivamente o atraso de processamento, atraso de fila,
atraso de transmissão e atraso de propagação, o atraso total
é dado por:
dnodal  dproc  dqueue  dtrans  dprop
A contribuição destes componentes do atraso pode variar
significativamente
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Descarte de pacote
• A capacidade da fila não é infinita, os pacotes se perdem
• Um pacote pode chegar e encontrar uma fila cheia. Sem
lugar para armazenar tal pacote, o roteador descartará esse
pacote, isto é, o pacote será perdido
• De um ponto de vista da extremidade do sistema, isto parece
com um pacote que está sendo transmitido para o núcleo da
rede, mas nunca emergindo da rede no destino
• A fração de pacotes perdidos aumenta enquanto a
intensidade de tráfego aumenta. Consequentemente, o
desempenho em um nó é medido não somente nos termos
do atraso, mas também nos termos da probabilidade de
perda do pacote
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Atraso fim a fim
• Até agora foi visto apenas o atraso nodal, istó é, o atraso em um
único roteador.
• Deve-se tratar do atraso TOTAL da origem ao destino. Suponha que
há outros (Q-1) routers entre o host origem e o host destino. Suponha
que:
– A rede não é congestionada, os atrasos de fila são insignificantes
– O atraso de processamento em cada roteador e também na origem é
Dproc
– A taxa de transmissão de cada roteador e da origem é R bits/seg
– O atraso de propagação entre cada nó ou roteadores, e entre o host
origem e o primeiro roteador é Dprop.
– Os atrasos nodais se acumulam, resultando em um atraso fim-a-fim:
Dend-end = Q (Dproc + Dtrans + Dprop)
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Exercícios
1.) Considere dois hosts A e B, conectados por um único enlace com
taxa de R bits por segundo (b/s). Suponha que estes dois hosts
estejam separados por d metros, e que a velocidade de
propagação neste enlace seja de s metros por segundo. O host A
tem que enviar um pacote de L bits ao host B. Pede-se:
a.) Escreva o atraso de propagação dprop em termos de d e s.
b.) Determine o tempo de transmissão dtrans, em termos de L e R.
c.) Ignorando os atrasos de processamento e de fila, obtenha uma
expressão para o atraso fim-a-fim, justificando-a.
d.) Suponha que o host A comece a transmitir o pacote no instante t =
0. Neste caso, no instante t = dtrans onde estará o último bit do
pacote? Justifique.
e.) Suponha que dprop é MAIOR que dtrans. Onde estará o primeiro bit
do pacote no instante t = dtrans ?
f.) Suponha dprop seja MENOR do que dtrans. Onde estará o primeiro
bit do pacote no instante t = dtrans ?
g.) Suponha que s = 2,5 x 108 m/s, L= 100 bits e R = 28 Kbps. Para qual
distância d temos dprop igual a dtrans?
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Respostas
a) dprop = (d / s ) SEGUNDOS
b) dtrans = (L / R ) SEGUNDOS
c) Uma vez que o atraso de fila e o atraso de processamento
são nulos, e os hosts estão conectados por um único enlace,
o atraso nodal total fim a fim será apenas a soma do atraso
de propagação com o atraso de transmissão, portanto
temos que Dend-end = [(L/R) + (d/s)] SEGUNDOS
d) O último bit já está no enlace, partindo do host A.
e) O primeiro bit está no enlace, no caminho entre os hosts A e
B, mas ainda Não chegou em B.
f) O primeiro bit já chegou no host B.
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Respostas
g)
d/s = (L/R)
d/2,5x108m/s = (100b/28000b/s)
d = 2,5x108m/s / 280s
d = 250000000m / 280
d = 892857,1429m (aproxim. 893 Km)
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Exercícios
1.) Considere dois hosts X e Y, conectados por um único enlace
com taxa de 50 Mbps. Estes dois hosts estão separados por
300 kilômetros, e a velocidade de propagação neste enlace
é de 2,5 x 108 metros por segundo. O host X tem que enviar
um pacote de 3 Mbits ao host B. Pede-se:
a) Qual o atraso de propagação?
b) Qual o atraso de transmissão?
c) Ignorando os atrasos de processamento e de fila, qual é o
atraso fim-a-fim neste caso?
d) Que tamanho de pacote seria necessário para que o atraso
de transmissão fosse igual ao atraso de propagação?
f ) Para qual distância d temos dprop igual a dtrans?
e) Se o enlace fosse substituído por um enlace de 1Gbps, qual
seria o atraso total (desconsiderando fila e processamento)?
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Respostas
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