1 introducao 2010 (1)

Artur Arsenio
Redes de Computadores 2010/2011
Departamento de Engenharia Informática1
Redes de ComputadoresRedes de Computadores
Introdução às Redes de
Computadores e Internet

Artur Arsenio
Introdução às
Redes de Computadores
Introdução às Redes de Computadores
e Internet
Objectivos:
Visão geral sobre redes - detalhes abordados posteriormente no curso
Objectivos:
Visão geral sobre redes - detalhes abordados posteriormente no curso
A Internet
Protocolos
Estrutura da rede
– A periferia da rede
– O núcleo da rede
– Redes de Acesso e Meio Fisico
Desempenho: atraso e perda
Camadas de protocolos
Estrutura da Internet e ISPs
A Internet
Protocolos
Estrutura da rede
– Redes de Acesso e Meio Fisico
Segue Capitulo 1 do livro de J.F Kurose e K.W. Ross

Artur Arsenio
Introdução às
Internet
(Imagens da Siemens, Pictures of the Future)
Na Indústria
Nos Transportes
Na Saúde

Artur Arsenio
Introdução às
Casas Inteligentes
– Acesso “Anywhere”

Artur Arsenio
Introdução às
A Internet: Visão dos Componentes
Internet “rede de redes”
Milhões de sistemas computacionais
interligados,
– que executam aplicações de rede
(network applications)
Canais físicos de comunicação
– cobre, fibra, radio
Nós de encaminhamento (routers),
– que propagam pacotes de dados
através da rede
Protocolos,
– e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP
– que controlam a emissão e recepção de
mensagens router workstation servidor portátil
ISP local
Rede da
empresa
ISP regional

Artur Arsenio
Introdução às
Home Entertainment - IPTV Network Management
R&D Labs at Nokia Siemens Networks
POR Development Center
Optical Networking
Multimedia
e IP integration
Comutadores lógicos (switches), nós de encaminhamento (routers),
amplificadores de sinal, Cabos de fibra óptica, ...
Broadband Access

Artur Arsenio
Introdução às
Sistemas Terminais
PCs e portáteis
Servidores
PDAs
Máquinas Fotográficas Digitais
Camaras de video digitais com ligação de rede

Artur Arsenio
Introdução às
O menor servidor Web do mundo
http://www.cs.umass.edu/~shri/
Molduras Digitais IP – descarregam
fotos digitais, interface USB,…
Tostadeira ligada à Web. Previsão
do tempo
http://dancing-man.com/robin/toasty/
Telefones com Internet
(Web, email, mensagens)
The Internet of “Things”
Mais Aparelhos Internet “Cool”...
Computação pervasiva

Artur Arsenio
Introdução às
Monitorização Remota
Harvard Sensors Lab
www.eecs.harvard.edu

Artur Arsenio
Introdução às
RFIDs
– Radio Frequency IDentification

Artur Arsenio
Introdução às
PLUX – Wireless BioSignals

Artur Arsenio
Introdução às
Oxygen Project at MIT

Artur Arsenio
Introdução às

Artur Arsenio
Introdução às
...e um Mundo Conectado

Artur Arsenio
Introdução às
A Internet: Visão dos Serviços
Infra-estrutura de comunicação
– web
– correio electrónico: e-mail
– Jogos
– comércio electrónico
– partilha de ficheiros
Serviços de comunicação
disponibilizados:
– não fiável sem ligações
– fiável com ligação

Artur Arsenio
Introdução às
VoIP Call – N – Share
Mobile IM
w/ Presence
Multiplayer Gaming
Network Address
Book
Mobile & IPTV
Rich Media IMRingback Tones
Picture Share Mobile Conferencing
Video Surveillance Remote Monitoring

Artur Arsenio
Introdução às
A Internet
Protocolos
Estrutura da rede
– Redes de Acesso e Meio
Fisico
A Internet
Protocolos
Estrutura da rede
Fisico
A Internet - revisão
Visão de Componentes
Equipamento terminal
Visão dos Serviços
Visão de Componentes
Equipamento terminal
Visão dos Serviços

Artur Arsenio
Introdução às
Protocolos Humanos e de Rede
“que horas são?”
“tenho uma dúvida”
Apresentações “Olá”
mensages específicas são
enviadas
acções específicas são
realizadas quando as mensagens
são recebidas ou acontecem
outros eventos
“que horas são?”
“tenho uma dúvida”
Apresentações “Olá”
mensages específicas são
enviadas
acções específicas são
realizadas quando as mensagens
são recebidas ou acontecem
outros eventos
Olá
Olá
Que horas são?
2:00
tempo
Exemplo: pedir horas
TCP connection req.
TCP connection reply.
<ficheiro>
tempo
Exemplo: pedido a um servidor WEB
máquinas ao invés de pessoas
todas as actividades de
comunicação na Internet são
governadas por protocolos
máquinas ao invés de pessoas
todas as actividades de
comunicação na Internet são
governadas por protocolos

Artur Arsenio
Introdução às
Modelo de Comunicação
ProcessoProcesso Canal de comunicaçãoCanal de comunicação
porto
Processo
API da
comunicação
API da
comunicação
modo utilizador modo sistema
rederede
porto
transporte
rede
lógico
físico

Artur Arsenio
Introdução às
Protocolo: O que é?
Protocolos definem o formato e a
ordem das mensagens enviadas e
recebidas pelas entidades da rede, e
acções tomadas quando da transmissão
ou recepção de msgs
Protocolos definem o formato e a
ordem das mensagens enviadas e
recebidas pelas entidades da rede, e
acções tomadas quando da transmissão
ou recepção de msgs

Artur Arsenio
Introdução às
Protocolos de Rede – Saber Quais?
Normas (ou padrões) da Internet:
•RFC: Request for Comments
•IETF: Internet Engineering Task Force
Normas (ou padrões) da Internet:
•RFC: Request for Comments
•IETF: Internet Engineering Task Force

Artur Arsenio
Introdução às
Protocolos – Revisão
A Internet
Protocolos
Estrutura da rede
Fisico
A Internet
Protocolos
Estrutura da rede
Fisico
Protocolos Humanos
Protocolos de Rede
Importância dos
Protocolos
Definição
Protocolos Humanos
Protocolos de Rede
Importância dos
Protocolos
Definição

Artur Arsenio
Introdução às
Protocolos Humanos
Protocolos de Rede
Importância dos Protocolos
Definição
Protocolos Humanos
Protocolos de Rede
Importância dos Protocolos
Definição
Estrutura da Rede
Rede de acesso
Periferia da rede
Núcleo da rede
Periferia da rede
– sistemas terminais
PCs, servidores, PDAs,
telemóveis, Smartphone
executam programas de
aplicação
– ex., WWW, email
Núcleo (Interior) da rede
– malha de routers
– rede de redes
Redes de acesso, meio físico
– definem os canais de
comunicação

Artur Arsenio
Introdução às
Periferia da Rede:
Arquitecturas das Aplicações
Cliente-servidor
Peer-to-peer (P2P)
Híbrido de cliente-
servidor e P2P

Artur Arsenio
Introdução às
Arquitectura cliente-servidor
Servidor
Sempre ligado
Endereço IP permanente
Fornece serviços pedidos pelo cliente
Escalabilidade com server farms - conjunto de
servidores que formam um servidor virtual único
– infra-estrutura intensa
(Google,Amazon,YouTube, YahooMail)
Cliente
Comunica-se com o servidor (“fala primeiro”)
Pede serviços ao servidor
Pode estar ligado de forma intermitente
Pode ter endereços IP dinâmicos
Não comunica directamente com outros clientes

Artur Arsenio
Introdução às
Arquitectura P2P pura
Não há um servidor sempre ligado
Sistemas finais arbitrários
chamados de pares (peers)
comunicam directamente
Dados não passam por servidores
dedicados, são controlados pelos
utilizadores
Pares estão ligados de forma
intermitente e podem mudar
endereços IP
Exemplo: BitTorrent (distribuição
ficheiros), eMule (partilha ficheiros), Skype
(telefone)
Alta escalabilidade
Porém, difícil de gerir

Artur Arsenio
Introdução às
Híbrido de cliente-servidor e P2P
Napster (extinta)
Transferência de ficheiros P2P
Procura de ficheiros centralizada:
– Pares registam conteúdo no servidor central
– Pares consultam o mesmo servidor central
para localizar conteúdo
Mensagem instantânea - Instant messaging
Conversa entre dois utilizadores é P2P
Localização e detecção de presença
centralizadas:
– Utilizadores registam o seu endereço IP no
servidor central quando ficam online
– Utilizadores consultam o servidor central para
encontrar endereços IP dos outros utilizadores

Artur Arsenio
Introdução às
Periferia da Rede:
Serviço de Transporte
Objectivo: transferência de dados entre sistemas terminais
Serviço com ligação
Transmissão fiável
Controlo de fluxo
Controlo de
congestão
Serviço sem ligação
Transmission Control Protocol [RFC793]
Aplicações que usam TCP:
•HTTP (WWW)
•FTP (transferência de ficheiros)
•Telnet (login remoto), SMTP (email)
User Datagram Protocol [RFC768]
Aplicações que usam UDP:
•Transmissão de áudio e vídeo
•Teleconferência
•Telefobe sobre Internet (VoIP, Skype)
Transmissão não fiável
Sem controlo de fluxo
Sem controlo de
congestão

Artur Arsenio
Introdução às
O Núcleo da Rede
Malha de nós de
encaminhamento (routers)
interligados
Questão fundamental:
como os dados são
transferidos através da
rede?
– comutação de circuitos
– comutação de pacotes

Artur Arsenio
Introdução às
Núcleo da Rede: Comutação de
Circuitos
Recursos de um extremo ao
outro (end2end) são reservados
para cada chamada
Necessita o estabelecimento de
ligação para cada chamada
Largura de banda do canal
garantida (qualidade constante)
Recursos dedicados: ausência
de partilha durante uma chamada
Desempenho tipo circuito
(garantido)

Artur Arsenio
Introdução às
Circuitos
Divisão da banda de um
canal em “pedaços”
(multiplexagem)
– FDM – Frequency Division
Multiplexing - divisão de
frequência
– TDM – Time Division
Multiplexing - divisão de
tempo
FDM
frequência
tempo
4 utilizadores
TDM
freqüência
tempo
quadro compartimento

Artur Arsenio
Introdução às
Exercicio numérico
Comutação de Circuitos
Quanto tempo leva para enviar um ficheiro de
640.000 bits de um host A para um host B através
de uma rede de comutação de circuitos?
– Todos os canais de comunicação são de 2,048 Mbps
taxa de transmissão total de cada canal
– Cada canal usa TDM com 32 compartimentos
– 500 mseg para estabelecer um circuito extremo-a-extremo
Calcula! 1 taxa de transmissão de cada circuito ou utilizador?
2 tempo para transmitir ficheiro?
3 tempo total de envio? Respostas:
1. 2048Kbps / 32 = 64 Kbps
2. 640Kbit / 64 Kbps = 10 segs
3. 10 + 0,5 = 10,5 segs total
Respostas:
1. 2048Kbps / 32 = 64 Kbps
2. 640Kbit / 64 Kbps = 10 segs
3. 10 + 0,5 = 10,5 segs total

Artur Arsenio
Introdução às
Pacotes
Utilização dos Recursos
A procura agregada de recursos
pode superar a quantidade
disponível
Congestionamento: os pacotes
esperam em fila até serem
transmitidos no canal
Armazena e retransmite (store
and forward): os pacotes
percorrem um salto de cada vez
Transmissão numa ligação
Espera pela vez na próxima
ligação
Divisão da banda em “pedaços”
Alocação dedicada
Reserva de recursos
O fluxo de dados a transmitir é
dividido em pacotes
Os pacotes dos utilizadores partilham
os recursos da rede (o mesmo canal)
Cada pacote usa toda a largura de
banda do canal (taxa de transmissão
total do link)
Os recursos são usados quando são
necessários

Artur Arsenio
Introdução às
Comutação de Pacotes: Multiplexagem
Estatística
A
B
C
Ethernet
100 Mbps
1,5 Mbps
45 Mbps
D E
multiplexagem estatística
fila de pacotes em espera
no canal de saída
Partilha de recursos por procura (e não por alocação prévia) – multiplexagem estatística

Artur Arsenio
Introdução às
Comutação de Pacotes: Armazenar-e-
Retransmitir (Store-and-Forward)
Leva L/R segundos para
transmitir um pacote de L bits
em um canal de R bps
N nós (no exemplo N=2)
Todo o pacote deve chegar ao
nó de encaminhamento antes
que possa ser transmitido no
próximo canal
No exemplo, atraso = 3L/R
(assumindo atraso zero de
propagação e de fila)
Leva L/R segundos para
transmitir um pacote de L bits
em um canal de R bps
N nós (no exemplo N=2)
Todo o pacote deve chegar ao
nó de encaminhamento antes
que possa ser transmitido no
próximo canal
No exemplo, atraso = 3L/R
(assumindo atraso zero de
propagação e de fila)
Exemplo:
Mensagem L = 7,5 Mbits
Tx: R = 1,5 Mbps
Exemplo:
Mensagem L = 7,5 Mbits
Tx: R = 1,5 Mbps
R R R
L
Comutação de mensagens – sem segmentação
1
Respostas:
•Atraso de transmissão de um nó é
L/R = 7,5Mbits / 1,5 Mbps = 5 segs
•Atraso de transmissão extremo a
extremo = (N+1) L/R = 3 x 5 = 15 segs
Respostas:
•Atraso de transmissão de um nó é
L/R = 7,5Mbits / 1,5 Mbps = 5 segs
•Atraso de transmissão extremo a
extremo = (N+1) L/R = 3 x 5 = 15 segs

Artur Arsenio
Introdução às
Comutação de pacotes: Segmentação de
Mensagens
Quebrar agora a mensagem
em M=5000 pacotes
Cada pacote de P=1500 bits
L=7,5Mbits = 5000 x 1500bits
R= link com Tx de 1,5Mbps
1 mseg para transmitir um
pacote em um canal
Pipelining: as linhas
funcionam em paralelo
Atraso reduzido de 15 seg
para 5,002 seg
R R R
L
12345
Time (msec)
Atraso em 1 nó de 1 pacote = P/R = 1,5Kbit/1,5Mbps = 0,001seg
atraso 1º pacote = (N+1)P/R = 3 x 0,001 = 0,003seg
atraso total = atraso 1º pacote + (M-1)P/R = 0,003+4999x0,001=5,002seg
Atraso em 1 nó de 1 pacote = P/R = 1,5Kbit/1,5Mbps = 0,001seg
atraso 1º pacote = (N+1)P/R = 3 x 0,001 = 0,003seg
atraso total = atraso 1º pacote + (M-1)P/R = 0,003+4999x0,001=5,002seg

Artur Arsenio
Introdução às
Comutação de Circuitos Comutação de Mensagens Comutação de Pacotes
t=7,5M/1,5M=5s t=3x(7,5M/1,5M) = 15s 5000[(7,5M/5000)/1,5M)]
= 5000 x 1ms, t = 5s+2ms
Comutação e Atrasos – Análise
Comparativa

Artur Arsenio
Introdução às
Redes comutadas por pacotes: Encaminhamento
(forwarding) e Circuitos Virtuais
Redes de datagramas
– o endereço do sistema final de destino
determina próxima etapa (endereçamento com
estrutura hierárquica)
– pacotes são encaminhados
independentemente, oferecendo flexibilidade
e robustez superiores (já que a rede pode
reajustar-se mediante a quebra de um link)
– rotas podem mudar durante a sessão
Objectivo: mover pacotes entre nós de encaminhamento da origem até o destino
Redes de circuitos virtuais
– cada pacote contém uma marca (ID do
circuito virtual) que determina próxima etapa
– caminho virtual fixo determinado no
estabelecimento da chamada, permanece
fixo durante a chamada – todos os pacotes
seguirão o mesmo caminho

Artur Arsenio
Introdução às
Comutação de pacotes versus comutação
de circuitos
Vantagens
claras vantagens para dados em ragadas
partilha dos recursos
não necessita estabelecimento de um circuito fisico
Desvantagens
Congestionamento excessivo: atraso e perda de pacotes
– há necessidade de definir protocolos para a transmissão
fiável de dados e controlo de congestionamento
P: Como fornecer um comportamento do tipo circuito?
– são necessárias garantias de banda para aplicações de
áudio e vídeo
– Problema em aberto
Vantagens
claras vantagens para dados em ragadas
partilha dos recursos
não necessita estabelecimento de um circuito fisico
Desvantagens
Congestionamento excessivo: atraso e perda de pacotes
– há necessidade de definir protocolos para a transmissão
fiável de dados e controlo de congestionamento
P: Como fornecer um comportamento do tipo circuito?
– são necessárias garantias de banda para aplicações de
áudio e vídeo
– Problema em aberto
A comutação de pacotes é necessáriamente melhor?

Artur Arsenio
Introdução às
Comutação de pacotes versus comutação
de circuitos
Link de 1 Mbit
cada utilizador:
– 100Kbps quando “activo”
– activo 10% do tempo
comutação por circuitos:
– 10 utilizadores
comutação por pacotes:
– com 35 utilizadores, probabilidade de + de 10 utilizadores
activos menor que 0,0004
N utilizadores
1 Mbps
A comutação de pacotes permite que mais utilizadores usem a rede!A comutação de pacotes permite que mais utilizadores usem a rede!

Artur Arsenio
Introdução às
Taxonomia de Redes (Núcleo)
Redes de
Telecomunicações
Redes comutadas
por circuitos
FDM TDM
Redes comutadas
por pacotes
Redes
com VCs
Redes
datagrama
• Redes com VCs (Ex, ATM – Asynchronous Transfer Mode)
• Redes datagrama (Ex. IP)

Artur Arsenio
Introdução às
Redes de acesso e meios físicos
Q: Como ligar um sistema terminal
a um router da periferia da
rede?
Redes de acesso residenciais
Redes de acesso institucionais
(universidade, empresa)
Redes de acesso móveis
Importante:
largura de banda (bits por
segundo) da rede de acesso?
partilhado ou dedicado?

Artur Arsenio
Introdução às
Acesso residencial: acesso ponto
a ponto
Ligação telefónica (Dialup) via modem
– até 56Kbps dedicados para o router
(teoricamente, frequentemente menos)
– Não é possível surfar e telefonar ao
mesmo tempo: não se pode estar
sempre ligado
ADSL: Espectro de frequências
ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line
– até 1 Mbps ascendente (upload)
– até 8 Mbps descendente (download)
o FDM:
o 50 kHz-1 MHz download
o 4 kHz - 50 kHz upload
o 0 kHz - 4 kHz para o telefonia

Artur Arsenio
Introdução às
Acesso residencial: cable modems
HFC: hybrid fiber coax (rede
híbrida - fibra óptica e cabo coaxial)
– assimétrico: até 30Mbps
descendente, 2 Mbps
ascendente
Redes de cabos e fibra óptica
ligam as casas ao router do
Internet Service Provider (ISP)
– acesso ao router partilhado
pelas casas
– tópicos: congestão,
dimensionamento
Instalação: disponível através
das empresas de TV por cabo,
ex.: TV Cabo
Diagrama: http://www.lightreading.com

Artur Arsenio
Introdução às
casa
cable headend
Rede de distribuição
por cabo (simplificada)
Tipicamente entre 500 a 5.000 casas
Terminal da operadora
servidore(s)
Arquitectura de redes a cabo:
Visão Geral

Artur Arsenio
Introdução às
Canais
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
V
I
D
E
O
D
A
T
A
D
A
T
A
C
O
N
T
R
O
L
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Arquitectura de redes a cabo:
Visão Geral
FDM:
casa
cable headend
Rede de distribuição
por cabo (simplificada)

Artur Arsenio
Introdução às
Rede Local (LAN - Local Area
Network)
da empresa, universidade (ou
actualmente já de residências) liga
os sistemas terminais a routers de
periferia (edge routers)
Ethernet
– Linha partilhada ou dedicada
interliga os sistemas terminais ao
router de periferia (pacotes com
destino externos à LAN)
– 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit
Ethernet, Terabit Ethernet
Acesso empresarial: Rede Local

Artur Arsenio
Introdução às
Redes de acesso sem fio (wireless)
LANs sem fio (dezenas de metros)
– ondas de rádio substituem os fios
– 802.11b/g (WiFi): 11 Mbps ou 54
Mbps
Acesso sem fios com maior cobertura
(dezenas de quilômetros)
– Oferecido por um operador de
telecomunicações (eg, PT)
– WAP (2G – cobra tempo de conexão)
– GPRS (2,5G –70Kbps-)
– EDGE, CDMA2000, WCDMA
3G ~ 384 Kbps (móvel, cobra volume
de dados) e 2Mbps (fixo)
Rede de acesso sem fios partilhada interliga sistemas terminais ao router
- Via estação base = ponto de acesso “access point”
estação
base
portáteis
router

Artur Arsenio
Introdução às
CDMA2000 or 3GPP2 system
Another realization of the IMT-2000 vision, standardized under 3GPP2
System has evolved from the 2nd generation IS-95 system
Deployed in most of the regions that had IS-95 presence: the United States, South Korea, Belarus,
Romania, some parts of Russia, Japan, and China
CDMA2000 or 3GPP2 system
Another realization of the IMT-2000 vision, standardized under 3GPP2
System has evolved from the 2nd generation IS-95 system
Deployed in most of the regions that had IS-95 presence: the United States, South Korea, Belarus,
Romania, some parts of Russia, Japan, and China
MWIF
Industry forum formed in early 1999 by leading 3G operators, telecommunications equipment providers,
and IP networking equipment providers
–MWIF ended – work continued under the aegis of the Open Mobile Alliance (OMA).
Goal: to develop all-IP mobile network architectures for the core network and RAN as a counterpoint to
the 3GPP R4 architecture.
–Contains many architectural approaches important for next-generation systems.
MWIF
Industry forum formed in early 1999 by leading 3G operators, telecommunications equipment providers,
and IP networking equipment providers
–MWIF ended – work continued under the aegis of the Open Mobile Alliance (OMA).
Goal: to develop all-IP mobile network architectures for the core network and RAN as a counterpoint to
the 3GPP R4 architecture.
–Contains many architectural approaches important for next-generation systems.
Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), or 3GPP:
One realization of IMT-2000 vision, developed under 3GPP
Significant support in Europe, Japan, and some parts of Asia
System evolved from the 2nd generation Global System for Mobile Communications (GSM). Decision to
base 3G specifications on GSM due to:
–widespread deployment of networks based on GSM standards
–need to preserve backward compatibility
–Re-utilization of the large investments made in the GSM networks
Many added capabilities, but the UMTS core network still resembles the GSM network.
Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), or 3GPP:
One realization of IMT-2000 vision, developed under 3GPP
Significant support in Europe, Japan, and some parts of Asia
System evolved from the 2nd generation Global System for Mobile Communications (GSM). Decision to
base 3G specifications on GSM due to:
–widespread deployment of networks based on GSM standards
–need to preserve backward compatibility
–Re-utilization of the large investments made in the GSM networks
Many added capabilities, but the UMTS core network still resembles the GSM network.
Arquitecturas 3G

Artur Arsenio
Introdução às
CS Domain
CS (Circuit
Switched)
Domain
CS (Circuit
Switched)
Domain
BSS /RNS
BSS(BaseStationSystem)/
RNS(RadioNetworkSystem)
...
...
HSS
(Home Subscriber
Servers)
HSS
(Home Subscriber
Servers)
PS Domain
PS (Packet
Switched)
Domain
PS (Packet
Switched)
Domain
MS (Mobile Station)
MS (Mobile Station)
MS
ApplicationsandServices
NMS
(Network Management
Subsystem)
NMS
(Network Management
Subsystem)
IMS
(Internet
Multimedia
Subsystem)
IMS
(Internet
Multimedia
Subsystem)
Access Network Core Network
Arquitectura de Rede 3G – UMTSAccess Network Core Network

Artur Arsenio
Introdução às
Redes Residenciais
Componentes típicos da rede doméstica
de/para
terminal do
operador
(Cable
Headend)
1. modem
1. ADSL ou cable modem (acesso banda larga à Internet)
2. Router/
firewall
2. Router/firewall/NAT
– Firewall: política de segurança, filtro de pacotes
– NAT: Network Address Translation - traduz IP local para IP do router
4. Ponto de
acesso sem fios
Portáteis
4. Ponto de acesso sem fios (estação base)
3. Ethernet
(pacotes comutados)
3. Ethernet

Artur Arsenio
Introdução às
meios guiados
– os sinais propagam-se em meios
sólidos: cobre, fibra, cabo coaxial
meios não guiados
– os sinais propagam-se
livremente, ex. rádio
Meios Físicos
bit
– propaga-se entre pares emissor /
receptor
canal físico
– o que está entre o emissor e o
receptor

Artur Arsenio
Introdução às
Meios Físicos Guiados: par
entrançado, cabo coaxial, fibra óptica
Cabo de fibra óptica
fibra de vidro transporta
pulsos de luz, cada pulso
um bit
Alto débito
– transmissão ponto a
ponto de alta velocidade
(e.g., 10s – 100s Gbps)
baixa taxa de erros:
repetidores afastados;
imune a ruído
eletromagnético
Cabo coaxial
Dois condutores de cobre
concêntricos
– fio (transporta o sinal) dentro
de outro fio (blindagem)
bidireccional
banda de base (baseband)
– canal único no cabo – sem
Modulação – LAN
banda larga (broadband):
– múltiplos canais num cabo
– Com modulação – LAN e TV
Par Entrançado (TP -
Twisted Pair)
dois fios de cobre
isolados
Categoria 3: fios
tradicionais de telefone,
Ethernet a 10 Mbps
Categoria 5: Ethernet a
100Mbps, Cat.6 A
1Gbps, Cat.7 a 10Gbps
STP - shielded
UTP - unshielded

Artur Arsenio
Introdução às
Meios Físicos não Guiados:
rádio
sinal transportado em
ondas electromagnéticas
não há “fio” físico
bidireccional
efeitos do ambiente de
propagação:
– reflexão
– obstrução por objectos
– interferência
Tipos de ligações rádio
Wireless LAN (eg IEEE 802.11b/g)
– 11Mbps, 54 Mbps
Longa distância (e.g., celular)
– e.g. 3G, 100s kbps
Microonda terrestre
– ex.: canais de até 45 Mbps
Satélite
– canal de até 50Mbps (ou múltiplos
canais menores)
– 270 mseg de atraso extremo a
extremo
– Geoestacionário versus satélites
de baixa altitude

Artur Arsenio
Introdução às
O Espectro Eletromagnético e a sua
utilização nas telecomunicações
Cognitve Radio – explorar todo o espectro disponível para comunicações

Artur Arsenio
Introdução às
A Estrutura da Rede – Revisão
A Internet
Protocolos
Estrutura da rede
– Redes de Acesso e
Meio Fisico
Desempenho: atraso e
perda
Estrutura da Internet e
ISPs
A Internet
Protocolos
Estrutura da rede
Meio Fisico
perda
ISPs
A Periferia da Rede
– Modelos de serviço: cliente/servidor, P2P
– Serviço com e sem ligação
O Núcleo da Rede
– Comutação de Circuitos
FDM e TDM
– Comutação de pacotes
Multiplexagem estatistica
Armazenar-e-retransmitir
Encaminhamento
– Comutação de pacotes versus
comutação de circuitos
Redes de Acesso e Meio Fisico
– Redes Fixas e Móveis
– Cobre, Cabo Coaxial, Fibra, Rádio
A Periferia da Rede
– Modelos de serviço: cliente/servidor, P2P
– Serviço com e sem ligação
O Núcleo da Rede
– Comutação de Circuitos
FDM e TDM
– Comutação de pacotes
Multiplexagem estatistica
Armazenar-e-retransmitir
Encaminhamento
– Comutação de pacotes versus
comutação de circuitos
Redes de Acesso e Meio Fisico
– Redes Fixas e Móveis
– Cobre, Cabo Coaxial, Fibra, Rádio

Artur Arsenio
Introdução às
Atrasos e perdas em redes comutadas
por pacotes
A
B
Fila de espera de pacotes (atraso)
buffers livres (disponíveis): pacotes que chegam são
descartados (perdidos) se não houver buffers livres
Como ocorrem as perdas de pacotes?
Pacotes esperam em filas nos buffers do router
– fila (buffer) anterior a um canal possui capacidade finita
Se ritmo de chegada dos pacotes excede a capacidade da linha de saída
– pacotes esperam em fila pela sua vez para serem transmitidos - atraso
– quando um pacote chega e a fila está cheia, o pacote é descartado - perdas
Um pacote perdido pode ser retransmitido pelo nó anterior, pelo sistema
origem, ou não ser retransmitido
Pacotes esperam em filas nos buffers do router
– fila (buffer) anterior a um canal possui capacidade finita
Se ritmo de chegada dos pacotes excede a capacidade da linha de saída
– pacotes esperam em fila pela sua vez para serem transmitidos - atraso
– quando um pacote chega e a fila está cheia, o pacote é descartado - perdas
Um pacote perdido pode ser retransmitido pelo nó anterior, pelo sistema
origem, ou não ser retransmitido

Artur Arsenio
Introdução às
Quatro fontes de atraso dos pacotes
num nó de encaminhamento
A
B
transmissão
3. Atraso de transmissão
L/R, R = largura de banda da linha
(bps), L=comprimento do pacote (bits)
propagação
4. Atraso de propagação
atraso de propagação = d/s
d = comprimento da linha, s = velocidade
de propagação no meio (~2x108 m/seg)
Processamento no nó
1. Processamento no nó
verificação de bits errados
identificação da linha de saída
(análise do cabeçalho)
File de espera (queueing)
2. Fila de espera
tempo de espera na linha de
saída até a transmissão
depende do nível de
congestão do router

Artur Arsenio
Introdução às
Atrasos
dproc = atraso de processamento (tipicamente de poucos microssegs ou menos)
dtrans = atraso de transmissão (significativo para canais de baixa velocidade)
dprop = atraso de propagação (poucos microsegs a centenas de msegs)
dqueue = atraso de fila de espera (depende da congestão)
proptransqueueprocnó ddddd +++=
Num nó de encaminhamento
)( proptransproce2e dddNd ++=Assumindo atraso variável de fila de espera em cada nó dqueue ~ 0
e Dproc_i = Dproc , Dtrans_i = Dtrans , Dprop_i = Dprop , i∀
R R R
L
N-1 nós
...
n1 n2 nN-1
∑
−
=
+++=
1
0
e2e
N
i
queueproptransproc iiii
ddddd
Extremo-a-extremo (e2e)
i = 0 é o emissor

Artur Arsenio
Introdução às
Atraso na Fila de Espera
R=largura de banda da ligação (bps)
L=compr. do pacote (bits)
a=taxa média de chegada de pacotes
Intensidade de tráfego (taxa de chegada/taxa de saída) = La/R
La/R ~ 0: pequeno atraso médio na fila
La/R -> 1: grande atraso médio
La/R > 1: chega mais “trabalho” do que
pode ser servido, atraso médio infinito!
RLTfila /)−/(1= ρρ
ρ

Artur Arsenio
Introdução às
Atrasos e caminhos “reais” na Internet
Programa TraceRoute : fornece medidas de atraso da fonte
até os diversos routers ao longo do caminho até o destino
final na internet. Para cada i:
– Envia três pacotes até o router i no caminho para o destino.
– O router i retorna os pacotes ao transmissor
– O transmissor mede o intervalo de tempo decorrido entre a
transmissão e a chegada da resposta.
3 probes
3 probes
3 probes
Como medir os atrasos e as perdas reais da Internet?

Artur Arsenio
Introdução às
Exemplo
1 cs-gw (128.119.240.254) 1 ms 1 ms 2 ms
2 border1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu (128.119.3.145) 1 ms 1 ms 2 ms
3 cht-vbns.gw.umass.edu (128.119.3.130) 6 ms 5 ms 5 ms
4 jn1-at1-0-0-19.wor.vbns.net (204.147.132.129) 16 ms 11 ms 13 ms
5 jn1-so7-0-0-0.wae.vbns.net (204.147.136.136) 21 ms 18 ms 18 ms
6 abilene-vbns.abilene.ucaid.edu (198.32.11.9) 22 ms 18 ms 22 ms
7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu (198.32.8.46) 22 ms 22 ms 22 ms
8 62.40.103.253 (62.40.103.253) 104 ms 109 ms 106 ms
9 de2-1.de1.de.geant.net (62.40.96.129) 109 ms 102 ms 104 ms
10 de.fr1.fr.geant.net (62.40.96.50) 113 ms 121 ms 114 ms
11 renater-gw.fr1.fr.geant.net (62.40.103.54) 112 ms 114 ms 112 ms
12 nio-n2.cssi.renater.fr (193.51.206.13) 111 ms 114 ms 116 ms
13 nice.cssi.renater.fr (195.220.98.102) 123 ms 125 ms 124 ms
14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (195.220.98.110) 126 ms 126 ms 124 ms
15 eurecom-valbonne.r3t2.ft.net (193.48.50.54) 135 ms 128 ms 133 ms
16 194.214.211.25 (194.214.211.25) 126 ms 128 ms 126 ms
17 * * *
18 * * *
19 fantasia.eurecom.fr (193.55.113.142) 132 ms 128 ms 136 ms
no rot nome rot IP rot RTT-pac1 RTT-pac2 RTT-pac3
Traceroute: gaia.cs.umass.edu para www.eurecom.fr
* means no reponse (probe lost, router not replying)
trans-
oceanic
link

Artur Arsenio
Introdução às
Medidas de Desempenho: atraso e
perda – Revisão
A Internet
Protocolos
Estrutura da rede
Meio Fisico
perda
ISPs
A Internet
Protocolos
Estrutura da rede
Meio Fisico
perda
ISPs
Perda de Pacotes na Fila de Espera
Fontes de atraso dos pacotes
Atrasos no Nó e na Rede
Atrasos e caminhos “reais” na
Internet
– o programa TraceRoute
Perda de Pacotes na Fila de Espera
Fontes de atraso dos pacotes
Atrasos no Nó e na Rede
Atrasos e caminhos “reais” na
Internet
– o programa TraceRoute

Artur Arsenio
Introdução às
Ligação de um Terminal à Rede
Como?

Artur Arsenio
Introdução às
Camadas, Protocolos, e Interfaces
Web Server Web Client
Application
Services
Application logic
protocol
Application
Services
Reliable delivery
protocol
Communication
Service
Communication
Service
Layer
Interface
Transfer “bits”
protocol
Network
Services
Network
Services
Layer
Interface
Serviços
– Cada camada oferece serviços à camada de cima
– Define o que a camada faz, semântica da camada
Interfaces
– Como aceder aos serviços da camada
– Define parâmetros e resultados

Artur Arsenio
Introdução às
Analogia: Funcionalidade de uma empresa
aérea em camadas
bilhete (compra)
bagagem (desp.)
portão (embarque)
pista (subida)
Controlo do voo
Aeroporto
de partida
Aeroporto
de chegada
centros de controle de tráfego
aéreo intermediários
Controlo do voo Controlo do voo
bilhete (reclam.)
bagagem (recup.)
portão (desembq)
pista (aterriss.)
Controlo do voo
Bilhete
Bagagem
Portão
Subida/aterris.
Encaminhamento
Camadas: cada camada implementa um serviço
– através das suas próprias acções internas à camada
– com base nos serviços fornecidos pela camada inferior
Camadas: cada camada implementa um serviço
– através das suas próprias acções internas à camada
– com base nos serviços fornecidos pela camada inferior
uma série de passos...

Artur Arsenio
Introdução às
Porquê dividir em “Camadas de
Protocolos”?
Lidar com sistemas complexos, redução da complexidade ao planear redes...
Uma estrutura explícita permite a identificação e
relacionamento entre as partes de um sistema complexo
– modelo de referência de camadas para discussão
Modularização facilita a manutenção e actualização do sistema
– mudança da implementação do serviço de uma camada é
transparente para o resto do sistema
– ex., mudança nos procedimentos dos portões de embarque
não alteram o resto do sistema
Divisão em camadas é considerada prejudicial?
– Desvantagem potencial: duplicação de funcionalidades

Artur Arsenio
Introdução às
Modelos de Referência
Um Modelo de Referência, ou Família de
Protocolos, define as características lógicas
e físicas das redes
– Normalmente divididos em níveis
– Os níveis são independentes mas estão
relacionados
– Permitem várias realizações compatíveis
TCP/IP, OSI

Artur Arsenio
Introdução às
Pilha de Protocolos Internet (TCP/IP)
As redes são complexas! Como organizar a estrutura da rede?
Muitas “partes”: máquinas, routers, ligações por vários meios,
aplicações, protocolos, hardware, software
aplicação
transporte
rede
lógica
física
Aplicação: dá suporte a aplicações de rede
– FTP, SMTP, HTTP
Transporte: transferência de segmentos de dados
extremo-a-extremo (TCP, UDP)
Rede: comutação de datagramas da origem até destino
– IP, protocolos de comutação
Lógica (ou ligação de dados): transferência de tramas
de dados entre elementos de rede vizinhos
– controlo de fluxo e de erros troço a troço
– PPP, Ethernet, Placa de interface de rede
Física: bits “on the wire” – envio e recepção de bits,
codificação dos simbolos, pinos nas fichas

Artur Arsenio
Introdução às
Camadas de Protocolo - Princípios
cada camada corresponde a um nível de abstração
necessário no modelo
cada camada possui funções próprias e bem definidas
– as funções de cada camada foram escolhidas segundo a
definição dos protocolos normalizados internacionalmente
as fronteiras entre camadas devem ser definidas de modo a
minimizar o fluxo de informação nas interfaces
o número de camadas deve ser suficientemente grande para
que funções distintas não precisem ser colocadas na mesma
camada
– e, ao mesmo tempo, suficientemente pequeno que não torne a
arquitectura difícil de controlar.
Objectivo Camada? Fornecer funcionalidade às camadas mais acima

Artur Arsenio
Introdução às
Nível Físico
Funções: conseguir transmitir 1 bit de
informação sobre meio físico de interligação
– Velocidade de propagação, atenuação,
imunidade ao ruído, etc.
Nível Físico define:
– Níveis eléctricos do sinal, características
temporais
– Protocolos de codificação, baseados no
funcionamento da rede (taxa de erros,
recuperação de relógio, …)
– Placas de interface (network cards)
Interface eléctrica
Aspectos mecânicos dos conectores
Bus
Anel (ring)
Malha (mesh)

Artur Arsenio
Introdução às
Nível Lógico ou
Ligação de Dados
Ethernet
ATMFrame
Relay
GPRS
UMTS
Funções: transmissão de pacotes, ou
tramas, entre máquinas ligadas à
mesma rede física
Nível Lógico define:
– Delimitadores de trama
– Endereço físico do destinatário
– Multiplexagem do meio de
transmissão (emissor)
– Detecção do endereço do destinatário
(receptor)
– Definição da unidade básica de
informação (bit, octeto)
– Recuperação de erros de transmissão
– Controlo de fluxo

Artur Arsenio
Introdução às
Nível Rede
Funções: interligar máquinas independentemente
da rede física a que estão ligadas
Uma rede lógica passa a ser composta pela
interligação de várias redes físicas
Nível Rede define:
– Formato dos pacotes de dados
– Mecanismos de encaminhamento entre redes
Fundamental para redes malhadas
Normalmente baseados em tabelas de
encaminhamento
– Protocolo de rede OSI: X.25
Com ligação, sequencialidade, controlo de fluxo
– Protocolo de rede Internet: IP
Sem ligação nem garantias de qualidade
Rede IP

Artur Arsenio
Introdução às
Nível Transporte
Funções: oferecer um serviço de transmissão
de informação que permita a comunicação
entre utilizadores finais
Características
– Com ou sem ligação
– Comunicação fiável
Garantia de entrega
Garantia de ordem
– Fragmentação
– Controlo de fluxo
– Notificação de excepções na comunicação
Rede TCP
Processo Utilizador
Processo Utilizador

Artur Arsenio
Introdução às
Camadas: Transporte
recebe dados da
aplicação
adiciona endereço e
verificação de erro para
formar um pacote
envia o pacote para o
seu par
espera que o seu par lhe
envie a confirmação
(ack)
aplicação
transporte
rede
ligação
física
aplicação
transporte
rede
ligação
física
aplicação
transporte
rede
ligação
física
aplicação
transporte
rede
ligação
física
rede
ligação
física
dados
dados
dados
transporte
transporte
ack

Artur Arsenio
Introdução às
Encapsulamento – Data Encapsulation
mensagem
segmento
datagrama
Frame
(trama)
aplicação
transporte
rede
ligação
física
HtHnHl M
HtHn M
Ht M
M
destino
HtHnHl M
HtHn M
Ht M
M rede
ligação
física
ligação
física
HtHnHl M
HtHn M
HtHnHl M
HtHn M
HtHnHl M HtHnHl M
router
switch
aplicação
transporte
rede
ligação
física
origem

Artur Arsenio
Introdução às
A Internet como um Relógio de
Areia
IP
TCP / UDP
Ethernet GPRS 802.11 BluetoothSatélite
Web Audio VoIP Web ServicesMail Video IM
Difícil de alterar
Passível de
alterações
Maior inovação

Artur Arsenio
Introdução às
Modelo de Referência OSI Aplicação
Apresentação
Sessão
transporte
rede
ligação
física
(camada)

Artur Arsenio
Introdução às
OSI
Camadas OSI: Open Systems Interconnection (Interligação de Sistemas Abertos)
Sessão
Apresentação
Aplicação
Controlo do diálogo (gestão de
“tokens”) e sincronização
Representação de dados, sintaxe
e semântica, cifra e compressão
Aspectos especificos da aplicação
Binding protocol,
DCE-RPC
XML, XDR, SSL
HTTP, FTP,
SMTP, Corba,
IIOP, SOAP, RMI
Os níveis mais elevados do modelo OSI implicam a integração
com o sistemas operativos e com as aplicações
Aplicação
Apresentação
Sessão
transporte
rede
ligação
física

Artur Arsenio
Introdução às
Camadas de Protocolos, Modelos de
Serviço– Revisão
A Internet
Protocolos
Estrutura da rede
Meio Fisico
perda
ISPs
A Internet
Protocolos
Estrutura da rede
Meio Fisico
perda
ISPs
Pilha de Protocolos
(Modelo TCP/IP)
Camadas de
Protocolo
Encapsulamento
Modelo OSI
Pilha de Protocolos
(Modelo TCP/IP)
Camadas de
Protocolo
Encapsulamento
Modelo OSI

Artur Arsenio
Introdução às
Estrutura da Internet: rede de redes
Hierárquicamente fraca
No centro: ISPs de primeira linha “tier-1” - cobertura
nacional/internacional (eg. Sprint, AT&T)
– trata cada um dos outros como igual
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
NAP
Os fornecedores de
primeira linha também
interligam-se em pontos de
acesso públicos (NAP –
network access points)
Os fornecedores
de primeira linha
(Tier-1) interligam-
se (peer) de forma
privada

Artur Arsenio
Introdução às
“Tier-2” ISPs: ISPs menores (normalmente regionais)
– Ligação a um ou mais ISPs tier-1, possivelmente a outros ISPs tier-2
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP
Os ISPs de segunda
linha pagam a ISPs
de primeira linha pela
conectividade ao
resto da Internet
um ISP tier-2 é
cliente de um
fornecedor
tier-1
ISPs de segunda
linha também se
interligam
privadamente ou
no NAP
NAP

Artur Arsenio
Introdução às
ISPs de terceiro nível (“Tier-3”) e ISPs locais
– Redes de acesso, mais próximas dos sistemas terminais
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier-2 ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP Tier 3
ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP
Os ISPs locais
e de terceiro
nível são
clientes de
ISPs de nível
mais elevado
que os ligam
ao resto da
Internet
NAP

Artur Arsenio
Introdução às
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier-2 ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP Tier 3
ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP
NAP
Um pacote pode passar por muitas redes!
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier-2 ISP
local
ISP
NAP
local
ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP Tier 3
ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP

Artur Arsenio
Introdução às
ISPs de primeira linha
Rede Americana de backbone da Sprint
www.geant.net
Europa: Rede GEANT

Artur Arsenio
Introdução às
Portugal: Fundação para a
Computação Cientifica Nacional
Aveiro
Coimbra
Cetil
Entroncamento
Vermoim
Lisboa
Canal existente
10G
Redes Privadas de Investigação
Dispersion Compensation
Amplifier
Transponder
Par de Fibras negras
G652
G655

Artur Arsenio
Introdução às
Dimensões das Redes

Artur Arsenio
AnexoAnexo
Atrasos na Fila de
Espera - Analogia

Artur Arsenio
Introdução às
Analogia com uma Caravana
Os carros “propagam-se” a
100 km/h
A portagem demora 12 seg a
servir um carro (tempo de
transmissão)
carro~bit; caravana ~ pacote
Tempo para “atravessar” toda a caravana
através do 1ª portagem para a auto-estrada
= 12*10 = 120 sec = 2 minutos
Tempo para que o último carro se propagar
da 1ª para a 2ª portagem: 100km/(100km/h)=
1 h =60 min
Tempo para “atravessar” toda a caravana
através do 1ª portagem para a auto-estrada
= 12*10 = 120 sec = 2 minutos
Tempo para que o último carro se propagar
da 1ª para a 2ª portagem: 100km/(100km/h)=
1 h =60 min
PortagemPortagem
120s/pac
Caravana
de dez carros
100 km
100 km3600s
300carros =
30 pacotes
Quanto tempo leva até a caravana estar alinhada antes da segunda portagem?
Resposta: 60 + 2 = 62 minutosResposta: 60 + 2 = 62 minutos

Artur Arsenio
Introdução às
Analogia com uma caravana (cont.)
Após 7 min, o 1º Carro chega à 2ª Portagem e ainda há 3 carros na 1ª portagem
(+1 há saída desta)
O 1º bit do pacote pode chegar ao 2º Router antes que o pacote tenha sido
totalmente transmitido no 1º router!
– Necessário armazenar e esperar pelos outros bits
Após 7 min, o 1º Carro chega à 2ª Portagem e ainda há 3 carros na 1ª portagem
(+1 há saída desta)
O 1º bit do pacote pode chegar ao 2º Router antes que o pacote tenha sido
totalmente transmitido no 1º router!
– Necessário armazenar e esperar pelos outros bits
Chegam carros à 2ª portagem antes de todos os carros serem servidos na 1ª portagem?
PortagemPortagem
10min/pac
Caravana
de dez carros
100 km
100 km6 min
6 carros
Agora os carros “propagam-se” a 1000 km/h, e a portagem demora 1 min para servir um carro
Resposta: SimResposta: Sim

Artur Arsenio
AnexoAnexo
Unidades de Medida

Artur Arsenio
Introdução às
Unidades de Medida

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