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Introdução 1
Introdução: sumário
Redes de computadores e a Internet
Sistemas terminais e aplicações distribuídas
As redes da Internet
Supervisão e gestão da Internet
Tecnologias de multiplexagem e comutação
• circuitos e pacotes
Desempenho das redes de comutação de pacotes
• débito, atraso e perdas
Arquitetura em camadas
• protocolos e serviços
Breve história da Internet
TexPoint fonts used in EMF. Read the TexPoint manual before you delete this box.: AAAAAAAA
A Internet
Introdução 2
“A global computer network providing a variety of information and communication
facilities, consisting of interconnected networks using standardized communication protocols”
Oxford dictionary
2
Sistemas terminais e aplicações distribuídas
Sistemas terminais
• PCs de secretária, PCs portáteis, PDAs, smartphones, tablets, televisões, consolas, sensores do ambiente, tostadeiras (!)
• Servidores (muitos dos quais agrupados em centros de dados)
Aplicações distribuídas em rede
• World Wide Web
• Correio electrónico
• Skype (VoIP)
• Correntes de vídeo (video streaming)
• IPTV
• Aplicações peer-to-peer
• Jogos distribuídos
Rede de acesso: DSL
filtro
DSLAM
modem DSL
PC
telefone
central local (central office)
residência
ISP
rede telefónica
filtro codecs
24 Mbit/s
2 Mbit/s
DSLAM - Digital Subscriber Line Access Multiplexer
ISP – Internet Service Provider
comutador de circuitos
comutador de pacotes
3
Rede de acesso: HFC
filtro
CM
PC
central local residência
ISP
filtro
TV
O/E
CMTS
servidor de vídeo
O/E
* divisor (splitter)/amplificador
*
armário armário
* 100 Mbit/s
25 Mbit/s
CMTS – Cable Modem Termination System
HFC – Hybrid Fiber Coaxial comutador de pacotes
Rede de acesso: FTTH (PON)
PC
telefone
divisor (splitter)
residência
ISP ONT
2.5 Gbit/s
1.25 Gbit/s
caixa de visita (man hole)
16, 32, 64
OLT
central local
ONT – Optical Network Terminal
OLT – Optical Line Terminal
FTTH – Fiber To The Home
PON – Passive Optical Network
comutador de pacotes
4
Rede de acesso: 3G, 4G,LTE
node B RNC
MSC GMSC
SGSN GGSN
ISP
rede telefónica
12 Mbit/s
5 Mbit/s
móvel
MSC – Mobile Switching Center
SGSN – Serving GPRS Support Node
RNC – Radio Network Controller
GPRS – General Packet Radio Service
GGSN – Gateway SGSN
HLR – Home Location Register
GMSC – Gateway MSC
VLR – Visitor Location Register
HLR VLR 4G
Rede de acesso: satélites
ISP
PC PC
VSAT VSAT
VSAT – Very Small Aperture Terminal
geoestacionário
135 ms
5
Rede empresarial/universitária
PCs
PCs
Servidores
empresa/universidade
ISP
1 Gbit/s
100 Mbit/s
100 Mbit/s
comutador de pacotes
encaminhador de pacotes
Rede residencial por DSL
portátil
PC
DSLAM
modem DSL
residência central local
(central office)
11 Mbit/s, 54 Mbit/s
caixa de TV
TV
24 Mbit/s
2 Mbit/s
AP AP – Access Point
comutador de pacotes encaminhador de pacotes
6
Rede de fornecedor de conteúdos
Introdução 11 Server rack
TOR
TOR – Top of rack switch
Tier-2
Tier-1
balanceador de carga
encaminhador de acesso
encaminhador fronteira
1 Gbit/s
10 Gbit/s
Internet
Centro de dados
Internet: interligação de redes
Tier 1
ISP
ISP
ISP
ISP
ISP
ISP
empresa
ISP ISP
ISP ISP
ISP
ISP
ISP residencial
empresa
universidade
universidade
empresa
ISP residencial
Gbit/s
IXP
IXP
IXP – Internet Exchange Point
CP
ISP – Internet Service Provider
cliente fornecedor
par par
CP – Content Provider
7
Mapa de ASes
CAIDA
Supervisão da Internet
Introdução 14
Internet Society (ISOC)
Internet Architecture Board (IAB)
Internet Engineering Task Force (IETF)
Internet Research Task force (IRTF)
Request for
Comments
(RFCs)
8
Gestão da Internet
Atribuição de endereços IP aos cartórios regionais (Regional Internet Registries, RIRs)
Atribuição de domínios de topo (Top Level Domains, TLDs)
Gestão dos servidores de nomes de raíz (Root Name Servers)
Introdução 15
Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN)
Internet Assigned Numbers Authority (IANA)
Cartórios regionais
RIPE Network Coordination Centre (RIPE NCC)
American Registry for Internet Numbers (ARIN)
Asia Pacific Network Information Centre (APNIC)
Latin American and Caribbean Internet Addresses Registry (LACNIC)
African Network Information Center (AFRINIC)
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9
Unidades
P (103)5 = 1015 Pi (210)5 = 250
T (103)4 = 1012 Ti (210)4 = 240
G (103)3 = 109 Gi (210)3 = 230
M (103)2 = 106 Mi (210)2 = 220
k, K 103 Ki 210
B - bytes b - bits
Prefixos
Mas, em geral, KB = KiB e MB = MiB (!)
Multiplexagem determinística
Ligações divididas em circuitos; capacidade de um circuito é uma fração da capacidade da ligação
• Divisão síncrona no tempo (SynTDM) [ms]
• Divisão na frequência (FDM) [rádio, Ghz]
• Divisão no comprimento de onda (WDM) [óptico, mm]
• Divisão no código (CDM) [rádio]
Bloqueio quando não há mais circuitos disponíveis
𝑢 𝑣 𝑐 𝑐/𝑁
𝑐- capacidade de 𝑢𝑣 [bits/s]
10
Comutação de circuitos
Estabelecimento do circuito
• reserva de circuito em cada ligação
• instalação de informação de estado nos comutadores de circuitos
Envio dos dados
Terminação do circuito
• libertação dos circuitos previamente reservados
• remoção da informação de estado nos comutadores de circuitos
Introdução 19
𝑢 𝑣
𝑤
𝑥
Pacotes
Pacote
• Corpo com dados
• Cabeçalho com várias indicações (tipo de dados, número de sequência, expedição nos nós, etc.)
Introdução 20
Dados da aplicação
Corpo Cabeçalho
11
Multiplexagem estatística
Capacidade das ligações partilhada assincronamente pelos pacotes
Armazenamento em fila-de-espera quando o débito de chegada de pacotes é superior ao da ligação
Introdução 21
𝑐
𝑐- capacidade de 𝑢𝑣 [bits/s]
em fila-de-espera
𝑢 𝑣
Comutação de pacotes
Não há fase de estabelecimento nem terminação de circuito (em datagramas)
Cabeçalho de cada pacote guia-o na rede
Armazenamento de todo o pacote num nó antes da expedição para o próximo
Introdução 22
𝑢 𝑣
𝑤
𝑥
antes
depois
12
Pacotes vs. circuitos
Introdução 23
100 Mbit/s
16 Mbit/s @ 10% do tempo
16 Mbit/s @ 10% do tempo
Dados
• Fluxos independentes
• Cada fluxo: débito 16 Mbit/s durante 10 % do tempo
• Ligação: 100 Mbit/s
Comutação de pacotes
• Probabilidade do débito de 30 fluxos ser igual ou superior a 100 Mbit/s: 0,03
• Utilização da ligação: 48 Mbit/s
Comutação de circuitos
• 6 fluxos possíveis
• Utilização da ligação: 9,6 Mbit/s
Componentes do atraso num nó
Componentes do atraso de um pacote de u para v
• processamento em u, 𝑑𝑝𝑟𝑜𝑐
• fila-de-espera em u, 𝑑𝑞𝑢𝑒𝑢𝑒
• transmissão em u, 𝑑𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠
• propagação de u para v, 𝑑𝑝𝑟𝑜𝑝
Perda de pacotes se o buffer em u estiver cheio
Introdução 24
𝑢 𝑣
𝑑𝑝𝑟𝑜𝑐 + 𝑑𝑞𝑢𝑒𝑢𝑒 + 𝑑𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 + 𝑑𝑝𝑟𝑜𝑝
13
Atraso de um pacote em um nó
Introdução 25
tempo
chegada de X a u
processamento
𝑐, 𝑑 𝑢
chegada de X a v
fila
transmissão
• 𝐿 - dimensão pacote X [bits] • 𝑐- capacidade de 𝑢𝑣 [bits/s] • 𝑑- propagação em 𝑢𝑣 [s] • 𝑑𝑋- atraso pacote X de u para
v [s]
• 𝑑𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 = 𝐿/𝑐 • 𝑑𝑝𝑟𝑜𝑝 = 𝑑
X
𝑣
𝑑𝑋 = 𝑑𝑝𝑟𝑜𝑐 + 𝑑𝑞𝑢𝑒𝑢𝑒 +𝐿
𝑐+ 𝑑
Atraso em fila-de-espera
Introdução 26
• 𝐿 − tamanho dos pacotes [bits] • 𝜆 – taxa média de chegada de pacotes [pkt/s] • c – capacidade da ligação [bit/s]
• 𝜆 𝐿 – utilização [bit/s] • 𝜌 = 𝜆 𝐿/𝑐 – carga (0 ≤ 𝜌 ≤ 1)
• chegadas de acordo com um processo de
Poisson (fila M/D/1)
Probabilidade de atraso: 𝜌2
𝐿
𝑐 𝜌
2(1 − 𝜌) Atraso médio em fila:
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1
2
3
4
5
14
Um pacote ao longo de um caminho
Introdução 27
𝑢0
X
𝑑𝑋 = 𝐿
𝑐𝑖+ 𝑑𝑖
𝑛−1
𝑖=0
𝑢1 𝑢2 𝑢3
𝑐0, 𝑑0 𝑐1, 𝑑1 𝑐2, 𝑑2
X
Atraso ao longo de um caminho
= soma de atrasos
nas ligação
X
tempo 𝑑𝑋
Ficheiro com N pacotes
Introdução 28
𝑢0 𝑢1 𝑢2 𝑢3
𝑐0, 𝑑0 𝑐1, 𝑑1 𝑐2, 𝑑2
tempo
𝑑𝑋
𝑑𝑋4
Paralelismo
𝑑𝑋𝑁 ≠ 𝑁 𝑑𝑋1
𝑑𝑋𝑁 - atraso do N-ésimo pacote
𝑑𝑋1 - atraso do primeiro pacote
N pacotes para expedir ao longo de um caminho
15
Ficheiro com N pacotes
Introdução 29
𝑢0 𝑢1 𝑢2 𝑢3
𝑐0, 𝑑0 𝑐1, 𝑑1 𝑐2, 𝑑2
tempo
𝑑𝑋1
𝑑𝑋4
𝑑𝑋𝑁 = 𝐿
𝑐𝑖+𝑛−1
𝑖=0 𝑑𝑖𝑛−1𝑖=0 +
𝑁−1 𝐿
min0≤𝑖<𝑛(𝑐𝑖) ≈ 𝑑𝑖
𝑛−1𝑖=0 +
𝑁𝐿
min0≤𝑖<𝑛(𝑐𝑖)
Atraso de propagação no caminho
Capacidade do caminho
𝑑𝑖
𝑛−1
𝑖=0
min0≤𝑖<𝑛(𝑐𝑖)
VoIP
Introdução 30
𝑢0 𝑢1 𝑢2 𝑢3
𝑐0, 𝑑0 𝑐1, 𝑑1 𝑐2, 𝑑2
tempo
• 𝑟 - débito de codificação do sinal de voz
• 𝐿 - dimensão dos pacotes de voz
• 𝑑𝑉𝑜𝐼𝑃- atraso na comunicação
𝐿
𝑟
𝐿
𝑟
𝑑𝑉𝑜𝐼𝑃 =𝐿
𝑟+
𝐿
𝑐𝑖+𝑛−1
𝑖=0 𝑑𝑖𝑛−1𝑖=0 ≈
𝐿
𝑟+ 𝑑𝑖𝑛−1𝑖=0
16
Partilha entre fluxos
Introdução 31
X
𝑢 𝑣
Y
𝑢 𝑣
X
Y
X1
X2
X3
X4
X5
X6
X7
X8 X9
Y
X Y
X
Y
Y
X
Partilha da capacidade entre fluxos
Tamanho dos pacotes na prática
10 Mbit/s 100 Mbit/s 1 Gbit/s 10 Gbit/s
64 bytes 51,2 µs 5,1 µs
512 s 51 s
1500 bytes 1,2 ms 120 µs 12 µs 1,2 µs
64 Kibytes 52,4 ms 5,2 ms 520 µs 51 s
Introdução 32
Para capacidades elevadas, a granularidade em pacotes pode ser desprezada
Tipicamente, os pacotes têm entre 64 bytes e 1500 bytes
17
traceroute
Introdução 33
tracert (windows), traceroute (linux), www.traceroute.org
Speedmeter
Introdução 34
18
Introdução 35
Funções para a comunicação
Funções para a comunicação entre máquinas • Especificação mecânica das tomadas, modulações,
codificações
• Segmentação, reconstrução e delimitação dos pacotes
• Identificação e endereçamento
• Multiplexagem/desmultiplexagem
• Controlo de erros e de fluxo
• Encaminhamento
• Controlo de congestão e controlo de admissão
• Formato para apresentação dos dados
• Autenticação
Modularização • Simplicidade de desenho e compreensão
• Flexibilidade, normalização da interface dos módulos
Introdução 36
Arquitectura em camadas
Camada n
Camada n+1
Processos pares
Interface
de serviço
Protocolo
19
Introdução 37
Protocolos
Entidades pares da mesma camada executam algoritmo distribuído
Protocolos definem as regras de comunicação entre entidades pares • Formato das mensagens trocadas
• Sequência de envio e recepção de mensagens
• Acções a tomar quando uma mensagem é enviada ou recebida
Mensagens trocadas entre entidades pares da camada n chamam-se n-PDU (Protocol Data Unit) • Cabeçalho (header)
• Dados (payload)
• Cauda (trailer)
Introdução 38
Interface de serviço
Interface de serviço especifica os serviços que a camada n fornece à camada n+1
Serviço orientado à sessão (connection-oriented)
• Estabelecimento de sessão
• Troca de dados
• Terminação da sessão
Serviço não orientado à sessão (connectionless)
• Não há estabelecimento nem terminação de sessão
20
Arquitetura da Internet
Aplicação
Transporte (extremo-a-extremo) • Controlo de erros
• Controlo de fluxo
• Controlo de congestionamento
Rede • Endereçamento, expedição e encaminhamento globais
Ligação • Acesso múltiplo em ligações de difusão
• Controlo de erros local
• Controlo de fluxo local
• Endereçamento, expedição e encaminhamento locais
Introdução 40
Arquitetura da Internet
Aplicação,
• Aplicações de rede distribuídas: FTP, SMTP, HTTP, peer-to-peer
Transporte
• Transferência de dados entre estações: TCP, UDP
Rede
• Encaminhamento e expedição de mensagens: IP, protocolos de encaminhamento
Ligação de dados
• Transferência de dados entre máquinas vizinhas: Ethernet, Wi-Fi
Camada física
• Passagem de bits entre máquinas vizinhas
Aplicação
Transporte
Rede
Dados
Físico
21
Introdução 41
Comunicação lógica
aplicação
transporte
rede
dados
físico
aplicação
transporte
rede
dados
físico aplicação
transporte
rede
dados
físico
aplicação
transporte
rede
dados
físico
rede
dados
físico
dados
dados
dados
transporte
ack
transporte
Introdução 42
Comunicação física
aplicação
transporte
rede
dados
físico
aplicação
transporte
rede
dados
físico aplicação
transporte
rede
dados
físico
aplicação
transporte
rede
dados
físico
rede
dados
físico
dados
dados
22
Introdução 43
Encapsulamento
aplicação
transporte
rede
dados
físico
aplicação
transporte
rede
dados
físico
Origem Destino
M
M
M
M
H t
H t H n
H t H n H l
M
M
M
M
H t
H t H n
H t H n H l
Mensagem
Segmento
Datagrama
Trama
Introdução 44
História da Internet: 1960-1970
1961: L. Kleinrock (MIT) – teoria das filas de espera substancia eficiência da comutação de pacotes
1964: P. Baran (RAND) – comutação de pacotes em redes militares
1966: L. Roberts (ARPA) – ARPAnet para interligação de computadores em ambiente de investigação
1968: D. Davies (NPL – UK) – comutação de pacotes para interligação de computadores em ambiente comercial
1969:
• Primeiro nó da ARPAnet operacional
• Request for Comments (RFC) 1: “Host Software,” Crocker (UCLA)
1970: N. Abramson (Universidade do Hawaii) – ALOHAnet
23
Introdução 45
História da Internet: 1970-1980
1972:
• Network Control Protocol
• ARPAnet demonstrada publicamente
• Primeira aplicação de email
• ARPAnet é constituída por 15 nós
1973: Metcalfe – Ethernet
1974: Cerf and Kahn – arquitectura para interligar as várias redes que foram aparecendo, fiabilidade extremo-a-extremo
1970s: DECnet, SNA, XNA
1979: ARPAnet é constituída por 200 nós
Introdução 46
História da Internet: 1980 - 1990
1981: TCP/IP, TELNET, SMTP, FTP
January 1983: TCP/IP implementado em todas as redes da ARPA
November 1983: Mockapertis - DNS
1985:
• criação do IETF (Internet Engineering Task Force)
• NSFnet
1988:
• Jacobsen - controlo de congestionamento TCP
• 100,000 estações interligadas
1980s:
• Rede Minitel em França
24
Introdução 47
História da Internet: 1990 - 2010
1990: ARPAnet retirada de serviço
1991: Usos comerciais na NSFnet
1991-1995:
• Descentralização, BGP, CIDR
• NSFnet retirada de serviço
1990-2010:
• Tim Berners-Lee – HTML, HTTP, WWW
• Marc Andreessen - Mosaic, Netscape, Firefox
• Larry Page and Sergey Brin – Google
• Niklas Zennstrom and Janus Friis – Skype
• Bram Cohen e Ashwin Navin – Bit Torrent
• Steve Chen, Chad Hurley, Jawed Karim – YouTube
• Mark Zuckerberg – facebook
Internet - hoje
Centros de dados com dezenas de milhar de servidores
Cerca de 500 milhões de servidores ligados à Internet
Mais de 3000 milhões de utilizadores
Cerca de 3000 milhões de dispositivos móveis ligados à Internet
Dezenas de milhar de ASes
Ligações no núcleo a 10 Gbps
Introdução 48
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