Fundamentos por terminar

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Fundamentos por terminar

  1. 1. Universidade São Tomás de Moçmbique  Tecnologias de Redes de Computadores 1. Fundamentos PROBLEMA CRIANDO UMA REDESuponha que você queira construir uma rede de computadores, que tem potencial de crescer emproporções globais e suportar aplicações tão diversas como a teleconferência, video-on-demand, comércioeletrônico, computação distribuída e as bibliotecas digitais. Que tecnologias disponíveis que servem comoblocos de construção subjacentes, e que tipo de arquitetura de software que você projetar para integraresses blocos de construção em um serviço de comunicação eficaz?Esta é a pergunta que tentamos responder. O objetivo primordial é o de descrever os materiais deconstrução disponíveis e, em seguida, para mostrar como eles podem ser usados para construir uma rededo zero.O que é uma rede de computadores o que a difere de outras?Primeiro, ele explora os requisitos que diferentes aplicações e comunidades diferentes de pessoas lugar(como usuários de rede e operadores de rede) na rede.Em segundo lugar, introduz a idéia de uma arquitetura de rede, que estabelece as bases para o resto dolivro.Em terceiro lugar, introduz alguns dos elementos-chave na implementação de redes de computadores. Porfim, identifica as principais métricas que são utilizados para avaliar o desempenho de redes decomputadores.1.1 AplicaçõesA maioria das pessoas conhece a Internet por meio de suas aplicações: a World Wide Web, e-mailstreaming de áudio e vídeo, salas de chat, compartilhamento e música (arquivo). A Web, por exemplo,apresenta uma interface intuitiva simples  Outra aplicação generalizada da Internet é a entrega de "streaming" de áudio e vídeo. Enquanto umarquivo de vídeo inteiro poderia primeiro ser obtido a partir de uma máquina remota e então reproduzidaIvan Luciano de Sousa Cangela 
  2. 2. Universidade São Tomás de Moçmbique  Tecnologias de Redes de Computadores na máquina local, semelhante ao processo de, isso implicaria esperar até que o último segundo do arquivode vídeo seja entregue antes de começar a assistí-lo. Streaming de vídeo implica que o emissor eoreceptor são, respectivamente, a fonte e o dissipador para o fluxo de vídeo. Isto é, a fonte gera um fluxo devídeo (talvez usando uma placa de captura de vídeo), envia através da Internet emmensagens, e o dissipador exibe o fluxo que chega.Há uma variedade de diferentes classes de aplicações de vídeo. Uma classe delas é o vídeo-on-demand,que lê um filme pré-existente a partir do disco e transmite através da rede. Outro tipo de aplicação é devideoconferência, que é, de alguma maneira o caso mais desafiador(e, para as pessoas em rede,interessante) porque tem restrições de tempo muito apertadas. Assim como ao usar o telefone, asinterações entre os participantes devem ser pontuais. Quando uma pessoa gesticula, então a ação deveser exibida na outra extremidade o mais rápido possível. Demasiado atraso tornao o sistema inútil. Emcontraste, o vídeo-on-demand, que pode levar vários segundos do momento que o usuário inicia o vídeoaté a primeira imagem é exibida, o serviço ainda é considerado satisfatório. Além disso, o vídeo interativogeralmente implica que o vídeo está fluindo em ambas direções, enquanto uma aplicação de vídeo-on-demand é mais provável o envio de vídeo em apenas uma direção. Para além destas existem maisaplicações.  1.2 RequisitosPrimeiro iremos dentificar o conjunto de restrições e requisitos que influenciam projeto de rede. Antes decomeçar, no entanto, é importante compreender que as expectativas que você tem sobre uma rededepende da sua perspectiva:- Um desenvolvedor de aplicações poderia listar os serviços que a sua aplicação precisa, para porexemplo, uma garantia de que cada mensagem a aplicação enviada será entregue sem erro dentro de umintervalo de tempo.- Um desenhador de rede iria listar as propriedades de um projeto de custo-benefício, por exemplo,que os recursos de rede são utilizados de forma eficiente e razoavelmente imputados aos usuários.Ivan Luciano de Sousa Cangela 
  3. 3. Universidade São Tomás de Moçmbique  Tecnologias de Redes de Computadores - Um provedor de serviços de rede listaria as características de um sistema que é fácil de gerir eadministrar, por exemplo, em que as falhas podem ser facilmente isoladas e onde é fácil para explicar o darede uso.Os requisitos fundamentais para o estabelecimento de uma rede de computadores são: Conectividade Partilha Económica de Recursos Suporte a Serviços Comuns Desempenho 1.2.1 Conectividade  Começando pelo o óbvio, uma rede deve fornecer conectividade entre um conjunto de computadores. Àsvezes é suficiente para construir uma rede limitada que interliga um grupo restitos de computadores. Naverdade, por motivos de privacidade e segurança, muitas redes privadas tem o objetivo explícito de limitaro conjunto de máquinas que estão ligadas entre si. Em contraste, outras redes (da qual a Internet é oprincipal exemplo) são projetados para crescer de forma que lhes permite o potencial de interligar todos oscomputadores do mundo. Um sistema concebido para suportar o crescimento em tamanho arbitrariamentegrande é dito escalável.Ligações, nós, e nuvensA conectividade de rede ocorre em diferentes níveis. No nível mais baixo, uma rede pode consistir em doisou mais computadores directamente ligados por algum meio físico, tal como um cabo coaxial ou fibraóptica. Chamamos tal meio físico de um link, e muitas vezes referem-se aos computadores que eleinterliga como nós.  Ivan Luciano de Sousa Cangela 
  4. 4. Universidade São Tomás de Moçmbique  Tecnologias de Redes de Computadores Se as redes de computadores fossem limitadas a situações em que todos os nós estão diretamenteligados uns aos outros através de um meio físico comum, elas seriam muito limitadas no número decomputadores que podiam estar ligados, ou o número de fios saindo de cada nó se tornariamincontroláveis e muito caras.conectividade entre dois nós não implica necessariamente uma conexão física direta entre eles. Considereos seguintes dois exemplos de como uma coleção de computadores podem ser indirectamente ligados.Nós que estão ligados a pelo menos duas ligações devem executar software que encaminha os dadosrecebidos em um link para fora em outro formando uma rede comutada(switched network). Existem váriostipos de redes comutadas, dos quais os dois mais comuns são de comutação de circuitos e de comutaçãode pacotes(circuit-switched and packet-switched). O primeiro é sobretudo utilizado pelo sistema detelefonia, enquanto o segundo é usado pela maioria das redes de computadores e será o foco de estudo.Uma importante característica da comutação de pacotes redes é que os nós de uma rede desse tipoenviam blocos de dados discretos para o outro. A estes blocos de dados chaamos de pacote mensagem.Comutação de pacotes(packet-switching) uma estratégia chamada store-and-forward na qual cada nó emrecebe um pacote completo através do link, armazena o pacote na memória interna e, em seguida,encaminha o completo pacote para o nó seguinte. Em contraste, uma rede de comutação de circuitosprimeiro estabelece uma circuito dedicado através de uma seqüência de ligações e permite que o nó fonteenvie um fluxo de bits em todo este circuito para um nó de destino. A principal razão para a utilização dacomutação por pacote em vez de comutação por circuito de numa rede de computadores é a eficiência.       Ivan Luciano de Sousa Cangela 
  5. 5. Universidade São Tomás de Moçmbique  Tecnologias de Redes de Computadores A seguir mostramos a segunda maneira na qual um conjunto de computadores podem ser indirectamenteligados.       Nesta situação, um conjunto de redes independentes, clouds, (nuvens) estão interligadas formando umarede interna, Nós ligados a duas ou mais redes são chamadas de roteador ou gateway, que desempenhapapel semelhante ao de um interruptor que encaminha mensagens de uma rede para o outro.Ivan Luciano de Sousa Cangela 
  6. 6. Universidade São Tomás de Moçmbique  Tecnologias de Redes de Computadores 1.2.2 Partilha Económica de Recursos Se todos os hosts que desejam se comunicar compartilham a rede, como o fazem, ao mesmo tempo?Como é que vários hosts compartilham o mesmo link quando todos querem usá-lo na mesma hora?Para entender como hosts compartilham uma rede, é preciso introduzir um elemento fundamental, amultiplexação, conceito que significa que um recurso do sistema é partilhado por vários usuários.Na figura em cima três hosts, no lado esquerdo da rede (remetentes S1-S3) enviam dados paraos três hosts da direita (receptores R1-R3) através da rede comutada que apenas témuma ligação física. (Para simplificar, suponha que host S1 está enviando dados para host R1, e assim pordiante.) Nesta situação, o switch 1 multiplexa num único link físico três fluxos de dados correspondentesaos três pares de hosts, em seguida demultiplexado de volta para fluxos separados peloswitch 2.Existem diferentes métodos de multiplexação de fluxos múltiplos em um único link físico. Um métodocomum é a multiplexação por divisão de tempo síncrono (synchronous time-division multiplexing - STDM).A idéia da STDM é dividir o tempo em partes iguais de quanta, em um round-robin, dar a cada um fluxochance de enviar seus dados através do link físico. Por outras palavras, durante o tempo de quantum 1, osdados de S1 a R1 são transmitidos; durante quantum de tempo 2, os dados de S2 para R2 sãotransmitidos; em quantum 3, S3 envia dados para R3. Neste ponto, o primeiro fluxo (S1 a R1) começa apassar de novo, e os processo repete-se. Outro método é multiplexação por divisão de frequência(frequency-divisionmultiplexing - FDM). A idéia de FDM é transmitir cada fluxo através do link físico emuma freqüência diferente, da mesma maneira que os sinais de emissoras de TV diferentes sãotransmitidos em uma freqüência diferente em um link físico de TV a cabo.Ivan Luciano de Sousa Cangela 
  7. 7. Universidade São Tomás de Moçmbique  Tecnologias de Redes de Computadores Embora simples de entender, tanto a STDM e FDM são limitados de duas maneiras:Primeiro, se um dos fluxos (pares de acolhimento) não tem dados para enviar, a sua quota de físicaligação, isto é, o seu quantum de tempo ou sua freqüência permanece ocioso, mesmo se um dosoutros fluxos tem dados para transmitir. Por exemplo, S3 teria que aguardar pela vez,(parágrafo anterior), mesmo S1 e S2 não tendo nada para enviar. Para a comunicação com o computador,a quantidade de tempo que uma ligação está inactivo pode ser muito grande, por exemplo, considerea quantidade de tempo que você gasta lendo uma página web (deixando o link inativo) em comparaçãocom o tempo que você gasta buscando a página. Em segundo lugar, tanto STDM e FDM estão limitados asituações em que o número máximo de fluxos é fixo e conhecida antes da hora. Não é prático pararedimensionar o quantum ou para adicionar os quanta adicional no caso de STDM ou para adicionar novasfrequências, no caso de FDM. A forma de multiplexação que utilizaremos é a statistical multiplexing. Écomo STDM em que a ligação física é partilhada ao longo do tempo - primeiro dados de um fluxo sãotransmitidos através da ligação física, depois os dados de outro fluxo são transmitidos, e assim em diante.Ao contrário STDM, os dados são transmitidos por cada fluxo sobre procura em vez de durante umpredeterminado intervalo de tempo. Assim, se apenas um fluxo tem dados para enviar, ele conseguetransmitir sem esperar pelo seu quantum e, sem esperar o quanta atribuídos aos outros fluxos que nãoestão a ser utilizados. É eliminando o tempo ocioso torna a comutação por pacotes eficiente.Conforme definido até aqui, multiplexação estatística não tem nenhum mecanismo para garantir que todosos fluxos eventualmente tenham a sua vez de transmitir através do link físico. Isto é, uma vez o fluxo tercomeçado a enviar dados, é necessário alguma maneira de limitar a transmissão, de modo que o outrofluxo possa transmitir. Para resolver este problema, multiplexação estatística define um limite superiorligado ao tamanho do bloco de dados que cada fluxo é permitido transmitir por tempo dado. Este bloco detamanho limitado dos dados é chamdo de pacote(packet), para distingui-lo da mensagem arbitrariamentegrande que um programa pode trasmitir. Como uma rede de comutação de pacotes limita o tamanhomáximo de pacotes, um host não pode enviar uma mensagem completa em um pacote. O emissor precisade fragmentar a mensagem em vários pacotes, e cabe ao receptor a montagem dos pacotes de volta,recuperando a mensagem original. A decisão sobre que pacote enviar em um link compartilhado pode serfeita de maneiras diferentes. Cada switch em uma rede de comutação por pacotes toma esta decisão deforma independente, com base em pacote a pacote. Por exemplo, um switch poderia ser projetado parapacotes de serviços em first-in-first-out (FIFO). Outra abordagem seria transmitir em round-robin pacotesIvan Luciano de Sousa Cangela 
  8. 8. Universidade São Tomás de Moçmbique  Tecnologias de Redes de Computadores de cada um dos fluxos que no moment estão a enviar dados para o switch. Uma rede suporta à qualidadede serviço (QoS) quando tenta alocar largura de banda para fluxos específicos. Na figura em baixo, o switch tem três fluxos de pacotes de entrada para uma ligação de saída, é possívelque o mesmo receba pacotes mais rápido do que a ligação partilhada pode acomodar. Neste caso, oswitch é forçado a armazenar estes pacotes na sua memória(buffer). Se um switch de receber pacotesmais rápido do que pode enviá-los por um período prolongado de tempo, pode ficar sem espaço dememória intermédia, e alguns pacotes terão que ser descartados, neste estado, é diz-se que ele estácongestionado.  Ivan Luciano de Sousa Cangela 
  9. 9. Universidade São Tomás de Moçmbique  Tecnologias de Redes de Computadores 1.2.3 Suporte a Serviços Comuns (trabalho para apresentar na próxima aula)   1.2.4 Desempenho    2.                  Ivan Luciano de Sousa Cangela 

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