Prof. Claudio Benossi
Aula 06

Aula passada

Camadas de protocolos
◦ Modelo de referência OSI

Atrasos

Exercícios

Conjunto de regras que determinam como
deve ocorrer a comunicação entre duas
estações em uma rede
◦ Mensagens específicas são enviadas
◦ Ações específicas são tomadas

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 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 são complexas!
◦ Muitos componentes
 Hosts





Roteadores
Enlaces
Aplicações
Protocolos
Hardware, Software…
Pergunta:
Como organizar melhor
a estrutura da rede?
Divisão em camadas
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

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
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

Nível Físico
Aplicação
◦ transmissão de bits através do canal
de comunicação
Apresentação
 manipulação das características
mecânicas, elétricas, funcionais e
procedurais para acessar o meio
físico
 Taxas de transferência
 Controle de acesso ao meio
 Move os bits através do meio de
transmissão
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física

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)
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física

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
◦ Rota do pacote
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física

Nível de Transporte
◦ provê comunicação transparente e
confiável entre pontos finais
◦ Provê ordenação
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física

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
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física

Nível de Apresentação
Aplicação
◦ provê independência para as aplicações em
relação às diferentes formas de
representação dos dados
Apresentação
 Converte dados para um formato conhecido
pelo protocolo
 Compressão de dados e criptografia

Nível de Aplicação
◦ transferência de arquivos, e-mail
◦ terminal virtual
◦ serviço de diretórios
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física

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


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

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
◦ Física: bits “nos fios”
Rede
Enlace
Física

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
• Cada camada:
– Distribuída
– “Entidades”
implementam
funções da camada
em cada nó
– Entidades realizam
ações, trocas de
mensagens com
pares
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
Rede
Enlace
Física
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
• Ex.: transporte
– Obtém dado da
aplicação
– Inclui informação
para confiabilidade
– Envia datagrama ao
par
– Espera receber
“ack” (confirmação)
do par
dados
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
dados
Rede
Enlace
Física
ack
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
dados
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
dados
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
Rede
Enlace
Física
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
dados
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física
Aplicação
Transporte
Rede
Enlace
Física



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
Atrasos
Transmissor ou origem
Canal de comunicação
interface
interface
dado
Receptor ou destino


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
Atraso
Atraso
Atraso
Atraso
de processamento nodal -> Dpro
de enfileiramento -> Dqueue
de transmissão -> Dtrans
de propagação -> Dprop
nodal total -> Dnodal
Transmissão
A
B
Propagação
Processamento
nodal
Enfileiramento
•
•
•
(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
•
•
•
•
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
• 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.



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
• (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.



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
• 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.
• 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.
• 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)
• 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”)
• 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
• 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.
• 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
• 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
• 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)
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?
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.
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)
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)?