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Professor: Gerson Leiria Nunes
Objetivos do capítulo:
 mostrar a
“atmosfera” e a
terminologia
 mais detalhes mais
adiante no curso
 método:
◦ usar Internet como
exemplo
Visão geral:
• o que é a Internet?
• o que é um protocolo?
• borda da rede; hospedeiros, rede de
acesso, meio físico
• núcleo da rede: pacote/comutação
de circuitos, estrutura da Internet
• desempenho: perda, atraso, vazão
• segurança
• camadas de protocolo, modelos de
serviço
• história
 milhões de dispositivos
de computação
conectados: hospedeiros
= sistemas finais
◦ rodando aplicações de
rede Rede doméstica
Rede institucional
Rede móvel
ISP global
ISP regional
roteador
PC
servidor
laptop
sem fio
celular
portátil
enlaces
com fio
pontos de
acesso
 enlaces de comunicação
 fibra, cobre, rádio,
satélite
 taxa de transmissão =
largura de banda
 roteadores: encaminham
pacotes (pedaços de
dados)
Elementos básicos que fazem parte da
internet
• protocolos controle de
envio e recepção de msgs
– p. e., TCP, IP, HTTP, Skype,
Ethernet
• Internet: “rede de redes”
– vagamente hierárquica
– Internet pública versus
intranet privada
• padrões da Internet
– RFC: Request For
Comments
– IETF: Internet Engineering
Task Force
Rede doméstica
Rede institucional
Rede móvel
ISP global
ISP regional
Serviços
• infraestrutura de
comunicação possibilita
aplicações distribuídas:
– Web, VoIP, e-mail,
jogos,
e-commerce,
compartilhamento de
arquivos
• serviços de comunicação
fornecidos às aplicações:
– entrega de dados
confiável da origem ao
destino
– entrega de dados pelo
“melhor esforço” (não
confiável)
O que é um protocolo?
protocolos humanos:
• “que horas são?”
• “tenho uma
pergunta”
• introduções
… msgs específicas
enviadas
… ações específicas
tomadas quando
msgs recebidas, ou
outros eventos
protocolos de rede:
• máquinas em vez de
humanos
• toda atividade de
comunicação na
Internet controlada
por protocolos
Protocolos definem formato, ordem
de msgs enviadas e recebidas
entre entidades de rede e ações
tomadas sobre transmissão e
recepção de msgs
um protocolo humano e um protocolo de rede de
computadores:
Oi
Oi
Que horas
são?
2h00
Resposta de
conexão TCP
<arquivo>
Tempo
Solicitação de
conexãoTCP
Estrutura da rede
• borda da rede:
aplicações e
hospedeiros
 núcleo da rede:
 roteadores
interconectados
 rede de redes
 redes de acesso, meios
físicos: enlaces de
comunicação com e sem
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A borda da rede
• sistemas finais
(hospedeiros):
– executar programas de
aplicação
– p. e. Web, e-mail
– na “borda da rede”
cliente/servidor
peer-peer
 modelo cliente/servidor
 hospedeiro cliente solicita,
recebe serviço de servidor
sempre ativo
 p. e. navegador/servidor Web;
cliente/servidor de e-mail
 modelo peer-peer:
 uso mínimo (ou nenhum) de
servidores dedicados
 p. e. Skype, BitTorrent
Redes de acesso e meios físicos
P: Como conectar sistemas
finais ao roteador da
borda?
• redes de acesso residencial
• redes de acesso
institucional (escola,
empresa)
• redes de acesso móvel
Lembre-se:
• largura de banda (bits por
segundo) da rede de
acesso?
• compartilhado ou
dedicado?
rede de
telefone Internet
modem
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doméstico
modem
do ISP
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PC
doméstico
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 usa infraestrutura de telefonia existente
 casa conectada ao escritório central
 até 56 kbps de acesso direto ao roteador (geralmente
menos)
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não está “sempre ligado”
Modem POTS
rede
telefônica
modem
DSL
PC
residencial
telefone
residencial
Internet
DSLAM
Linha telefônica existente:
Telefone 0-4 KHz; dados
upstream 4-50 KHz; dados
downstream 50 KHz-1 MHz
distribuidor
central
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Digital Subscriber Line DSL/ADSL2
 também usa infraestrutura de telefone existente
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Acesso residencial: modems a cabo
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• rede de cabo e fibra conecta casas ao
roteador ISP
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Arquitetura de rede a
cabo: visão geral
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de cabo (simplificada)
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Servidor(es)
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V
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D
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E
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D
O
S
D
A
D
O
S
C
O
N
T
R
O
L
E
1 2 3 4 5 6 7 8 9
FDM (mais adiante):
ONT
OLT
Central
distribuidor
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ONT
ONT
fibra
ótica
fibras
óticas
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Fibra nas residências
• enlaces óticos da central à residência
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100 Mbps
100 Mbps
100 Mbps
1 Gbps
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• meio guiado:
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O núcleo da rede
• malha de roteadores
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FDM
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Comutação de circuitos:
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Comutação de pacotes
versus comutação de circuitos
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ISP nível 1
ISP nível 1
interconexão de
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nível 1 (peer)
privadamente
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ISP nível 1
ISP nível 1
ISP nível 2ISP nível 2
ISP nível 2 ISP nível 2
ISP nível 2
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também olham
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uns para os
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Aula introdutoria parte 1

  • 2. Objetivos do capítulo:  mostrar a “atmosfera” e a terminologia  mais detalhes mais adiante no curso  método: ◦ usar Internet como exemplo Visão geral: • o que é a Internet? • o que é um protocolo? • borda da rede; hospedeiros, rede de acesso, meio físico • núcleo da rede: pacote/comutação de circuitos, estrutura da Internet • desempenho: perda, atraso, vazão • segurança • camadas de protocolo, modelos de serviço • história
  • 3.  milhões de dispositivos de computação conectados: hospedeiros = sistemas finais ◦ rodando aplicações de rede Rede doméstica Rede institucional Rede móvel ISP global ISP regional roteador PC servidor laptop sem fio celular portátil enlaces com fio pontos de acesso  enlaces de comunicação  fibra, cobre, rádio, satélite  taxa de transmissão = largura de banda  roteadores: encaminham pacotes (pedaços de dados)
  • 4. Elementos básicos que fazem parte da internet • protocolos controle de envio e recepção de msgs – p. e., TCP, IP, HTTP, Skype, Ethernet • Internet: “rede de redes” – vagamente hierárquica – Internet pública versus intranet privada • padrões da Internet – RFC: Request For Comments – IETF: Internet Engineering Task Force Rede doméstica Rede institucional Rede móvel ISP global ISP regional
  • 5. Serviços • infraestrutura de comunicação possibilita aplicações distribuídas: – Web, VoIP, e-mail, jogos, e-commerce, compartilhamento de arquivos • serviços de comunicação fornecidos às aplicações: – entrega de dados confiável da origem ao destino – entrega de dados pelo “melhor esforço” (não confiável)
  • 6. O que é um protocolo? protocolos humanos: • “que horas são?” • “tenho uma pergunta” • introduções … msgs específicas enviadas … ações específicas tomadas quando msgs recebidas, ou outros eventos protocolos de rede: • máquinas em vez de humanos • toda atividade de comunicação na Internet controlada por protocolos Protocolos definem formato, ordem de msgs enviadas e recebidas entre entidades de rede e ações tomadas sobre transmissão e recepção de msgs
  • 7. um protocolo humano e um protocolo de rede de computadores: Oi Oi Que horas são? 2h00 Resposta de conexão TCP <arquivo> Tempo Solicitação de conexãoTCP
  • 8. Estrutura da rede • borda da rede: aplicações e hospedeiros  núcleo da rede:  roteadores interconectados  rede de redes  redes de acesso, meios físicos: enlaces de comunicação com e sem fio
  • 9. A borda da rede • sistemas finais (hospedeiros): – executar programas de aplicação – p. e. Web, e-mail – na “borda da rede” cliente/servidor peer-peer  modelo cliente/servidor  hospedeiro cliente solicita, recebe serviço de servidor sempre ativo  p. e. navegador/servidor Web; cliente/servidor de e-mail  modelo peer-peer:  uso mínimo (ou nenhum) de servidores dedicados  p. e. Skype, BitTorrent
  • 10. Redes de acesso e meios físicos P: Como conectar sistemas finais ao roteador da borda? • redes de acesso residencial • redes de acesso institucional (escola, empresa) • redes de acesso móvel Lembre-se: • largura de banda (bits por segundo) da rede de acesso? • compartilhado ou dedicado?
  • 11. rede de telefone Internet modem discado doméstico modem do ISP (p. e., AOL) PC doméstico escritório central  usa infraestrutura de telefonia existente  casa conectada ao escritório central  até 56 kbps de acesso direto ao roteador (geralmente menos)  não pode navegar e telefonar ao mesmo tempo: não está “sempre ligado” Modem POTS
  • 12. rede telefônica modem DSL PC residencial telefone residencial Internet DSLAM Linha telefônica existente: Telefone 0-4 KHz; dados upstream 4-50 KHz; dados downstream 50 KHz-1 MHz distribuidor central telefônica Digital Subscriber Line DSL/ADSL2  também usa infraestrutura de telefone existente  até 10 Mbps upstream (hoje, normalmente < 2 Mbps)  até 100 Mbps downstream (hoje, normalmente < 100 Mbps)
  • 13. Acesso residencial: modems a cabo HFC, DOCSIS 1.0, 1.1, 2.0 e 3.0 • não usa infraestrutura de telefone – usa infraestrutura de TV a cabo (coaxial) • HFC: Hybrid Fiber Coax – assimétrico: até 30 Mbps downstream, 2 Mbps upstream (docsis 2.0) • rede de cabo e fibra conecta casas ao roteador ISP – casas compartilham acesso ao roteador – diferente de DSL, que tem acesso
  • 14. Arquitetura de rede a cabo: visão geral casa rede de distribuição de cabo (simplificada) geralmente, 500 a 5.000 casas Terminal de distribuição Servidor(es) 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 D O S D A D O S C O N T R O L E 1 2 3 4 5 6 7 8 9 FDM (mais adiante):
  • 15. ONT OLT Central distribuidor ótico ONT ONT fibra ótica fibras óticas Internet Fibra nas residências • enlaces óticos da central à residência • duas tecnologias óticas concorrentes: – Passive Optical Network (PON) – Active Optical Network (PAN) • velocidades de Internet muito mais altas; fibra também transporta serviços de TV e telefone
  • 16. 100 Mbps 100 Mbps 100 Mbps 1 Gbps servidor Switch Ethernet roteador institucional Ao ISP da instituição Acesso à Internet por ethernet • normalmente usado em empresas, universidade etc.  Ethernet a 10 Mbs, 100 Mbps, 1 Gbps, 10 Gbps  hoje, os sistemas finais normalmente se conectam ao comutador Ethernet
  • 17. Redes de acesso sem fio • rede de acesso sem fio compartilhado conecta sistema final ao roteador – via estação base, também conhecida como “ponto de acesso” • LANs sem fio: – 802.11b/g (WiFi): 11 ou 54 Mbps • acesso sem fio de área mais remota – 1G: GPRS (128kbps) – 2G: EDGE (384 Kbps) – 3G: ~10Mbps por ERB (HSxPA) – 4G: ~100Mbps por ERB (LTE/Wimax) estação base hosts móveis roteador
  • 18. Redes residenciais componentes típicos da rede residencial: • modem DSL ou a cabo • roteador/firewall/nat • Ethernet • ponto de acesso sem fio ponto de acesso sem fio laptops sem fio roteador/ firewall modem a cabo de/para extremidade a cabo Ethernet
  • 19. Meios físicos • bit: propaga entre pares de transmissor/receptor • enlace físico: o que fica entre transmissor e receptor • meio guiado: – sinais se propagam em meio sólido: cobre, fibra, coaxial • meio não guiado: – sinais se propagam livremente, p. e., rádio Par Trançado (TP) • dois fios de cobre isolados – categoria 3: fios de telefone tradicionais, Ethernet a 10 Mbps – categoria 5: Ethernet a 100 Mbps – Categoria 6: 1Gbps – Categoria 7: 10Gbps
  • 20. Meio físico: cabo coaxial, fibra cabo coaxial: • dois condutores de cobre concêntricos • bidirecional • banda base: – único canal no cabo – Ethernet legado • banda larga: – múltiplos canais no cabo – HFC cabo de fibra ótica:  fibra de vidro conduzindo pulsos de luz; cada pulso um bit  operação em alta velocidade:  transmissão em alta velocidade ponto a ponto (p. e., 10-100 Gps)  baixa taxa de erro: repetidores bastante espaçados; imune a ruído eletromagnético
  • 21. Meio físico: rádio • sinal transportado no espectro eletromagnético • nenhum “fio” físico • bidirecional • efeitos no ambiente de propagação: – Reflexão, refração e reflexão – obstrução por objetos – Interferência co-canal – Efeito Doppler Enlaces de rádio:  micro-ondas terrestre  p. e. até canais de 45 Mbps  LAN (p. e., Wifi)  11 Mbps, 54 Mbps  área ampla (p. e., celular)  celular 3G: ~ 1 Mbps  satélite  canal de Kbps a 45Mbps (ou múltiplos canais menores)  atraso fim a fim de 270 msec  geoestacionário versus baixa altitude
  • 22. O núcleo da rede • malha de roteadores interconectados • a questão fundamental: como os dados são transferidos pela rede? – comutação de circuitos: circuito dedicado por chamada: rede telefônica – comutação de pacotes: dados enviados pela rede em “pedaços” discretos
  • 23. Núcleo da rede: comutação de circuitos recursos fim a fim reservados para “chamada” • largura de banda do enlace, capacidade de comutação • recursos dedicados: sem compartilhamento • desempenho tipo circuito (garantido) • exige preparação de chamada
  • 24. recursos de rede (p. e., largura de banda) divididos em “pedaços” • pedaços alocados a chamadas • pedaço de recurso ocioso se não usado por chamada particular (sem compartilhamento)  dividindo largura de banda do enlace em “pedaços” ou diversidade:  divisão de frequência  divisão de tempo  divisão espacial  divisão de código
  • 27. Trabalho teórico: Fazer artigo científico sobre SC-FDMA
  • 28. Núcleo da rede: comutação de pacotes cada fluxo de dados fim a fim dividido em pacotes • usuário A, pacotes de B compartilham recursos da rede • cada pacote usa largura de banda total do enlace • recursos usados quando necessários disputa por recursos:  demanda de recurso agregado pode exceder quantidade disponível  congestionamento: fila de pacotes, espera por uso do enlace  store and forward: pacotes se movem um salto de cada vez  Nó recebe pacote completo antes de encaminhar Divisão da largura de banda em “pedaços” Alocação dedicada Reserva de recursos
  • 29. Comutação de pacotes: multiplexação estatística Sequência de pacotes A & B não tem padrão fixo, largura de banda compartilhada por demanda  multiplexação estatística. TDM: cada hospedeiro recebe mesmo slot girando quadro TDM. A B C Ethernet 100 Mb/s 1,5 Mb/s D E multiplexação estatística fila de pacotes esperando pelo enlace de saída
  • 30. Comutação de pacotes: store-and- forward • leva L/R segundos para transmitir (push out) pacote de L bits para enlace em R bps • store-and-forward: pacote inteiro deve chegar ao roteador antes que possa ser transmitido no próximo enlace • atraso = 3L/R (supondo zero atraso de propagação) Exemplo: • L = 7,5 Mbps • R = 1,5 Mbps • atraso de transmissão = 15 s R R R L mais sobre atraso adiante…
  • 31. Comutação de pacotes versus comutação de circuitos • enlace de 1 Mb/s • cada usuário: – 100 kb/s quando “ativo” – ativo 10% do tempo • comutação de circuitos – 10 usuários • comutação de pacotes: – com 35 usuários, probabilidade > 10 Comutação de pacotes permite que mais usuários usem a rede! N usuários enlace 1 Mbps
  • 32. • ótima para dados em rajadas – compartilhamento de recursos – mais simples, sem configuração de chamada • congestionamento: atraso e perda de pacotes – protocolos necessários para transferência de dados confiável, controle de congestionamento • P: Como fornecer comportamento tipo circuito? – largura de banda garante necessário para aplicações de áudio/vídeo A comutação de pacotes é a “grande vencedora”?
  • 33. Estrutura da Internet: rede de redes • aproximadamente hierárquica • no centro: ISPs de “nível 1” (p. e., Verizon, Sprint, AT&T, Cable and Wireless), cobertura nacional/internacional – tratam uns aos outros como iguais ISP nível 1 ISP nível 1 ISP nível 1 interconexão de provedores de nível 1 (peer) privadamente
  • 34. • ISPs de nível 2: ISPs menores (geralmente regionais) – conectam a um ou a mais ISPs de nível 1, possivelmente outros ISPs de nível 2 ISP nível 1 ISP nível 1 ISP nível 1 ISP nível 2ISP nível 2 ISP nível 2 ISP nível 2 ISP nível 2 ISP de nível 2 paga ao ISP nível 1 por conectividade com restante da Internet ISP de nível 2 é cliente do provedor de nível 1 ISPs de nível 2 também olham privadamente uns para os outros.
  • 35. • ISPs de nível 3 e ISPs locais – rede do último salto (“acesso”), mais próxima dos sistemas finais ISP nível 1 ISP nível 1 ISP nível 1 ISP nível 2ISP nível 2 ISP nível 2 ISP nível 2 ISP nível 2 ISP local ISP local ISP local ISP local ISP local ISP nível 3 ISP local ISP local ISP local ISPs locais e de nível 3 são clientes de ISPs de camada mais alta conectando-os ao restante da Internet
  • 36. • um pacote passa por muitas redes! ISP nível 1 ISP nível 1 ISP nível 1 ISP nível 2ISP nível 2 ISP nível 2 ISP nível 2 ISP nível 2 ISP local ISP local ISP local ISP local ISP local ISP nível 3 ISP local ISP local ISP local