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1: Introdução 1
Redes de Computadores
Prof. Nelson Fonseca
www.ic.unicamp.br/~nfonseca/redes
1: Introdução 2Introduction 1-2
Chapter 1Introduction
Computer Networking: A Top Down Approach ,5th edition. Jim Kurose, Keith RossAddison-Wesley, April 2009.
A note on the use of these ppt slides:We’re making these slides freely available to all (faculty, students, readers).
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Thanks and enjoy! JFK/KWR
All material copyright 1996-2009
J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved
1: Introdução 3
Parte I: Introdução
Objetivos: Introduzir conceitos
básicos em redes
dar uma visão geral da matéria, maiores detalhes ao longo do curso
Abordagem:
descritiva
Internet como exemplo
Conteúdo do capítulo: O que é a Internet O que é um protocolo? periferia da rede núcleo da rede rede de acesso, meios físicos backbones, NAPs, ISPs noções de desempenho hierarquia de protocolos,
modelos de serviços história
Ler capítulo 1 do
livro texto
Introduction
“Fun” internet appliances
IP picture frame
http://www.ceiva.com/
Web-enabled toaster +
weather forecaster
Internet phonesInternet
refrigerator
Slingbox: watch,
control cable TV remotely
1-4
Tweet-a-watt:
monitor energy use
1: Introdução 5
O que é a Internet?
Milhões de dispositivos interconectados: hosts, sistemas finais Estações de trabalho,
servidores PDA’s, fones, torradeiras
executando aplicativos
Enlaces de comunicação fíbras óticas, cobre, rádio,
satélite
roteadores: encaminham pacotes (blocos) de dados ao longo da rede
ISP local
redecoorporativa
ISP regional
roteador estação
servidormóvel
Chapter 1: Fundamentals 6
Link: Point-to-Point or Broadcast
Access type
Point-to-Point
Simplex, half-duplex, full-duplex
Usually WANs
Broadcast
Multiple access: contend to transmit
Usually LANs (exception: satellite-based ALOHA)
Media type
Wired
Twisted pair, coaxial cable, fiber optics
Wireless
Radio(104~108 Hz), microwave (108~1011 Hz), infrared
(1011~1014 Hz)
Enlaces
1: Introdução 7
Enlaces
1: Introdução 8
Roreadores/ switch
1: Introdução 9
Roreador/switch
1: Introdução 10
1: Introdução 11
O que é a Internet
protocolos: controla o envio e recebimento de msgs e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP
Internet: “rede de redes” Fracamente hierarquizada
Internet pública versus intranet privativas
Padrões Internet RFC: Request for comments
IETF: Internet Engineering Task Force
ISP local
redecoorporativa
ISP regional
roteador estação
servidormóvel
1: Introdução 12
Serviços da Internet
Infraestrutura de comunicação permite aplicações distribuídas: WWW, e-mail, jogos,
comércio eletrônico, banco de dados., compartilhamento de arquivos (MP3)
Serviços de comunicação: sem conexão orientado à conexão
cyberspace [Gibson]:
“a consensual hallucination experienced daily by billions of operators, in every nation, ...."
1: Introdução 13
O que é um protocolo?
Protocolos humanos:
“Que horas são?”
“Eu tenho uma pergunta”
… Msgs específicas enviadas
… Ações específicas tomadas frente ao recebimento das msgs
Protocolos de Redes:
Máquinas ao invés de humanos
Toda comunicação em redes é regida por protocolos
Protocolos definem o formato, a ordem de envio
e recebimento de msgs entre entidades e ações
realizadas
1: Introdução 14
Protocolos
Exemplos de protocolos humanos e de computadores
Oi
Oi
Que horas são?
2:00
Resposta de conexão TCP
Get http://gaia.cs.umass.edu/index.htm
<arquivo>
tempo
Solicitação de conexão TCP
1: Introdução 15
Estrutura da Rede
Periferia da rede:aplicações e hosts
Núcleo da rede: roteadores redes de redes
redes de acesso, meio físico: enlaces de comunicação
1: Introdução 16
Periferia da Rede:
Sistemas finais (hosts): executam aplicativos
WWW, email
“na periferia da rede”
modelo cliente/servidor host cliente envia requisição,
servidor executa serviço
e.g., cliente WWW(browser)/ servidor; email cliente/servidor
modelo ponto-a-ponto : Interação simétrica entre hosts;
Mínimo (ou nenhum) uso de servidores dedicados;
1: Introdução 17
Periferia da Rede: serviços orientados à conexão
Objetivo: transferência de dados entre sistemas finais
handshaking:estabelecimento de conexão - preparação para transferência de dados TCP - Transmission
Control Protocol
Serviço orientado à conexão da Internet
Serviços TCP [RFC 793]
Confiável, em seqüência, (byte-stream) Perdas: confirmações e
retransmissões
Controle de fluxo: transmissor não
sobrecarrega o receptor;
Controle de congestionamento: transmissor dimui taxa de
transmissão quando a rede está congestionada
1: Introdução 18
Controle de Fluxo
1: Introdução 19
Controle de Congestionamento
1: Introdução 20
Serviços não orientados a conexão
Objetivo: transferência de dados entre sistemas finais
UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: serviços sem conexão da Internet transferência não-
confiável sem controle de fluxo sem controle de
congestionamento
Aplicações típicas que usam TCP:
HTTP (WWW), FTP, Telnet, SMTP (e-mail)
Aplicações típicas que usam UDP
áudio sob medida, teleconferência, Telefonia Internet
1: Introdução 21
O Núcleo da Rede
Malha de roteadores interconectados
Questão fundamental:Como os dados são transferidos na rede? comutação de
circuitos: circuitos dedicados - rede telefônica
comutação de pacotes:dados enviados pela rede em “blocos”
1: Introdução 22
Comutação de Circuitos
Recursos reservados fim-a-fim para uma chamada ( “call”)
banda passante do enlace, capacidade do comutador
recursos dedicados: não há compartilhamento
desempenho garantido
Estabelecimento de circuito obrigatório
23
Comutação por Circuito
Comutação por circuito: overhead estabelecimento de circuito - ordem
de 10 segundos.
Após estabelecimento, retardo de propagação 5 ms por 1000 Km.
Reserva estática de banda passante.
1: Introdução 24
Comutação de Circuitos
Banda passante dividida em “fatias”
“fatias” de recursos alocados às chamadas
desperdício: caso recurso não esteja sendo utilizado
Divisão da banda passante Divisão por
freqüência Divisão por tempo
Divisão da banda passante
Atribui diferentes freqüências
Atribui banda em diferentes intervalos de tempo
1: Introdução 25
Comutação de Circuitos: FDMA e TDMA
FDMA
Freqüência
tempo
TDMA
Freqüência
tempo
4 usuários
Exemplo:
1: Introdução 26
27
FDM
Multiplexação por Divisão da Freqüência
28
TDM
Multiplexação por Divisão de Tempo Modulação delta - assume que amostragem
difere da anterior +1 ou –1:
29
TDM
Multiplexação por Divisão de Tempo Sistemas digitais. Codec - digitalização de sinais analógicos. 8000 amostras por segundo - 125ms/amostra. Pulse Code Modulation (PCM). T1 - 24 canais multiplexados, amostragem
alternada, fluxo resultante enviado para Codec.
30
TDM
Multiplexação por Divisão de Tempo Cada um dos 24 canais insere 7 bits + 1 bit
controle -- 24 x 8 = 192 bits + 1 bit sincronização = 193 bits a cada 125 ms = 1,544 Mbps
E1 - 2048 Mbps - 30 canais dados + 2 sinalização
Modulação de Código de Pulso Diferencial (PEM Diferencial) - diferença entre valor atual e anterior 5 bits ao invés de 7 bits
31
TDM
32
TDM
SONET Synchronous Optical network (Bellcore).
Unificação sistemas TDM.
SDH (CCITT) baseado em SONET, padronização sistemas PDH (USA, Japão e Europa).
Dar continuidade a hierarquia - Giga bps.
Operação, administração e manutenção.
33
TDM
SONET Quadros 810 bytes, transmitido a cada 125 ms
(8000 quadros por segundo).
STS-1 - 9 linhas e 3 colunas informação overhead seção, linha e caminho.
Multiplexação de tributária, byte a byte
STS-3 - três quadros STS-1 = 155,52 Mbps.
34
TDM
.
35
TDM
1: Introdução 36
Custos de telefonia
37
Wavelength Division Multiplexing
WDM
38
Chapter 1: Fundamentals 39
Pacotes
H H HPacket with
Header
1: Introdução 40
Comutação de Pacotes
Fluxo de dados fim-a-fim dividido em pacotes
pacotes compartilham recursos da rede
cada pacote usa totalmente a banda passante do enlace
recursos usados qdo necessário
Contenção de recursos:
a demanda por recursos pode ultrapassar o disponível
congestionamento: enfileiramento para uso do enlace
Armazena-e-retransmite: pacotes trafegam um comutador de cada vez
trasmitem e esperam a vez
Divisão da banda em fatias
Alocação
Reserva de recursos
Two key network-core functions
forwarding: move packets from router’s input to appropriate router output
Introduction 1-41
routing: determines source-destination route taken by packets routing algorithms
routing algorithm
local forwarding table
header value output link
0100
0101
0111
1001
3
2
2
1
1
23
destination address in arriving
packet’s header
1: Introdução 42
Comutação de Pacotes: multiplexação estatística
A
B
C10 MbsEthernet
1.5 Mbs
45 Mbs
D E
Multiplexação estatística
Fila de pacotesesperando no enlace
de saída
Comutação de pacotes versus comutação de circuitos: analogia com restaurantes
existem outras analogias humanas?
1: Introdução 43
Comutação de pacotes versus comutação de circuitos
Enlace de 1 Mbit
cada usuário: 100Kbps quando ativo
ativo 10% do tempo
Comutação de circuito: 10 usuários
Comutação de Pacotes: com 35 usuários,
probabilidade > 10 ativos < .0004
Comutação de pacotes permite um maior número de usuários na rede!
N usuários
Enlace de 1 Mbps
1: Introdução 44
Ideal para tráfego em rajada
compartilhamento de recursos
não há o estabelecimento da chamada (call setup)
Congestionamento excessivo: perda e retardo
protocolos necessário para transmissão confiável e controle de congestionamento
Como prover serviços tipo circuito??
Garantia de banda passante para aplicações de vídeo e áudio
Ainda é um problema em aberto
Comutação de pacotes versus comutação de circuitos
A comutação de pacotes ganha de lavagem?
A comparison of circuit switched and packet-switched networks.
1: Introdução 46
Comutação de Pacotes: armazena-e-reenvia
Leva L/R segundos para transmitir o pacote com L bits em um enlace de R bps;
O pacote inteiro deve chegar ao comutador antes de ser transmitido no próximo enlace: armazena-e-reenvia
Atraso = 3L/R
Exemplo:
L = 7.5 Mbits
R = 1.5 Mbps
atraso = 15 sec
R R R
L
1: Introdução 47
Comutação de Pacotes: segmentação de mensagens
Cada pacote com 1,500 bits
1 msec para transmitir o pacote em um enlace;
pipelining: cada enlace trabalha em paralelo
Atraso reduzido de 15 segundos para 5.002 segundos
Agora a mensagem é segmentada em 5000 pacotes
1: Introdução 48
Redes de Acesso e Meios Físicos
P: Como conectar os sistemas finais aos roteadores de borda?
Redes de acesso residencial
redes de acesso institucional (escolas, empresa)
redes de acesso móvel
Considere:
largura de banda (bits por segundo) da rede de acesso?
compartilhada ou dedicada?
Introduction
Access networks and physical media
Q: How to connect end systems to edge router?
residential access nets
institutional access networks (school, company)
mobile access networks
keep in mind: bandwidth (bits per
second) of access network?
shared or dedicated?1-49
1: Introdução 50
1: Introdução 51
Rede de Acesso Residencial ponto-a-ponto(tecnologias passadas)
Discado (Dialup) via modem acesso direto ao roteador de até
56Kbps (teoricamente); Não pode falar ao telefone e “surfar na
Internet ao mesmo tempo”; não pode estar sempre conectado
Introduction
Digital subscriber line (DSL)
central office
ISP
telephonenetwork
DSLAM
voz, dados transmitidosem frequências diferentes em linhas dedicadas até
a estação central
usa linha telefônica existente para o DSLAM na estação central
Dados enviados para Internet
Voz enviado para rede telefônica < 2.5 Mbps taxa transmissão upstream (typically < 1 Mbps) < 24 Mbps taxa transmissão downstream (typically < 10 Mbps)
DSLmodem
splitter
DSL access multiplexer
1-52
Digital subscriber line (DSL)
1: Introdução 53
DSL - Atenuação
1: Introdução 54
Introduction
Rede a Cabo - HFC
cablemodem
splitter
…
cable headend
Channels
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
frequency division multiplexing: diferentes canais de TV e dados transmitidos em diferentes frequências
1-55
Introduction
Dados e TV transmistidos em diferentesfrequências em cabo
compartilhado,
cablemodem
splitter
…
cable headend
CMTS
ISP
cable modemtermination system
HFC: hybrid fiber coax
assimétrico: até taxa de transmissão de 30Mbps downstream e até 2 Mbps upstream
Rede de cabo e fibra ligam residências ao roteador dos ISPs
Residências compartilham acesso até o headend
Diferente de DSL, que possui acesso dedicado
HFC
1-56
DOCSIS
Data over cable interface specification( DOCIS)
Cable modens verificam a distância até head-end através de pacote de ranging,
cada modem requer o número de mini-slots necessários para transmissão do pacote
1: Introdução 57
Rede a cabo - histórico
1: Introdução 58
ONT
OLT
central office
optical
splitter
ONT
ONT
optical
fiber
optical
fibersInternet
Fiber to the Home
Enlaces ópticos da estação central até a casa do usuário
Dua stecnologias: Passive Optical network (PON) - Gigabit PON (GPON),
Ethernet PON (EPON)
Active Optical Network (PAN)
Taxas muito mais elevadas, também transmitem TV e voz
GPON
1: Introdução 60
Acesso Institucional (Ethernet)
Empresas, universidades
10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps transmission rates
Tipicamente conectado a switch ethernet
Ethernet switch
institutional mail,web servers
institutional router
institutional link to ISP (Internet)
1: Introdução 62
Redes de Acesso sem Fio (wireless)
rede de acesso compartilhado sem fioconecta o sistema final ao roteador via estação base (ponto de
acesso)
LANs sem fio: ondas de rádio substituem
os fios 802.11b,g,n (Wifi): 11, 50,
300 Mbps
acesso sem fio com maior cobertura Provido pela operadora de
telecomunicações; WAP/GRPS na Europa 3G ~384 Kbps 4G ate 10 Mbs
estaçãobase
usuáriomóvel
roteador
Introduction
Redes Residencias
Para/de headend ou estação central
cable or DSL modem
rteador, firewall, NAT
cabeado Ethernet (100 Mbps)
Ponto ao sem fio (54 Mbps)
Dispositivos
sem fio
Normalmente acondicionados
em um única caixa
1-63
Acesso Residencial - Brasil
Velocidade de usuários ativos Jun/12
até 128 kbps 3,2%
128 a 512 kbps 11,5%
512 kbps a 2 Mbps 43,9%
2 Mbps a 8 Mbps 27,9%
acima de 8 Mbps 12,6%
Não identificado 0,9%
Total 41.483
1: Introdução 65
Meio Físico
enlace físico: bit de dados transmitido se propaga através do enlace
meios guiados: os sinais se propagam
em meios sólidos: cobre, fibra
meios não guiados: os sinais se propagam
livremente, ex. rádio
Par Trançado
dois fios Categoria 3: telefonia
tradicional, 10 Mbps Ethernet
Categoria 5 TP: 100Mbps Ethernet
1: Introdução 66
Cabo Coaxial e Fibra Ótica
Cabo coaxial: fio (transporta o sinal)
dentro de outro fio (blindagem) banda básica (baseband):
canal único no cabo
banda larga (broadband): múltiplos canais num cabo
bidirecional
uso comum em Ethernet 10Mbs
Cabo de fibra óptica: fibra de vidro transporta
pulsos de luz, cada pul’so é um bit
opera em alta velocidade: Ethernet 100Mbps
transmissão ponto a ponto de alta velocidade (ex., 5Gps)
baixa taxa de erros: imune a ruídos eletromagnéticos
1: Introdução 67
Meios físicos: rádio
Sinal transportado em meio eletromagnético
não existe “cabo”
bidirecional
efeitos de propagação: reflexão
obstrução de objetos
interferência
Tipos de enlaces de rádio: microondas
ex.: canais de até 45 Mbps LAN (ex., waveLAN)
2Mbps, 11Mbps, 150 Mbs satélite
canal de até 50Mbps (ou múltiplos canais menores)
atraso fim a fim de 270 mseg
geoestacionário versus LEOS
1: Introdução 68
Estrutura Internet: redes de redes
Ligeiramente hierarquizado
No centro: ISPs-nível-1 (ex: UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T), cobertura nacional/internacional
Tratamento igualitário entre os ISPs
ISP-nível-1
ISP-nível-1
ISP-nível-1
Provedores nível-1 se interconectam privativamente
NAP
provedores nível-1 também se interconectam em pontos públicos de acesso (NAP -network access points)
Internet structure: network of networks
Usuários conectados a Provedores de acesso, (Internet
Service Providers) ISP
Residenciais, empresas e universidades
Provedores de acesso devem estar conectados de
forma que dosi hosts possam trocar pacotes
Estrutura da Internet
Topologia hierarquizadas
Evolução ditada por razões econômicas e políticas
Estrutura da Internet
Como conectar milhares de ISPs?
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnetaccess
net
accessnet
Estrutura da Internet
Conectar ISPs diretamente não é viável
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnetaccess
net
accessnet
Não é escalável: O(N2)
Estrutura da Internet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnetaccess
net
accessnet
Opção: conectar a um ISP global.
global
ISP
Estrutura da Internet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnetaccess
net
accessnet
Na realidade, vários provedores de infraestrutura
ISP B
ISP A
ISP C
1: Introdução 74
ISP-nível-1: ex: Sprint
Backbone Sprint US
Etrutura da Internet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnetaccess
net
accessnet
ISP globais tem que ser conectados entre si
ISP B
ISP A
ISP C
IXP
IXP
peering link
Internet exchange point
Estrutura da Internet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnetaccess
net
accessnet
Redes regionais conectando ISP de acesso a ISPs de núcleo
ISP B
ISP A
ISP C
IXP
IXP
regional net
1: Introdução 77
Tier-1 ISP: e.g., Sprint
…
to/from customers
peering
to/from backbone
…
.………
POP: point-of-presence
Mapa IXP
1: Introdução 78
IXP Size
1: Introdução 79
Internet structure: network of networks
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnet
accessnetaccess
net
accessnet
… provedores de conteúdo possuem sua própria rede (Google, Microsoft, Akamai )para trazer serviço perto do usuário
ISP B
ISP A
ISP B
IXP
IXP
regional net
Content provider network
Redes de distribuição de conteúdo – Exemplo: Google
Figura retirada de: http://www1.cse.wustl.edu/~jain/talks/ftp/sdn_sbr.pdf
• WANs privadas para evitar tráfego pelo núcleo da Internet.
Google Network
1: Introdução 82
Introduction
Internet structure: network of networks
Núcleo: pequeno número de ISPs nacionais e intercontinentais “tier-1” commercial ISPs (Level 3, Sprint, AT&T, NTT),
Proveores de redes de conteúdo (e.g, Google): redes privadas para conectar aos seus próprios data center bypassando provedores de núcleo tier-1 e regioans
access
ISP
access
ISP
access
ISP
access
ISP
access
ISP
access
ISP
access
ISP
access
ISP
Regional ISP Regional ISP
IXP
IXP
Tier 1 ISP Tier 1 ISP Google
IXP
1: Introdução 84
Estrutura Internet: redes de redes
Um pacote passa por várias redes;
ISP-nível-1
ISP-nível-1
ISP-nível-1
NAP
ISP nível2ISP nível2
ISP nível2 ISP nível2
ISP nível2
ISPlocalISP
localISPlocal
ISPlocal
ISPlocal ISP
nível3
ISPlocal
ISPlocal
ISPlocal
Interligação Redes Continentais
1: Introdução 86
Provedor de Backbone Nacional
http://www.rnp.br/backbone/bkb-mapa.html
Topologias típicas
1: Introdução 87
Topologia da Internet
1: Introdução 88
1: Introdução 89
Como ocorre perda e atraso?
Filas de pacotes nos buffers dos roteadores: a taxa de chegada de pacotes excede a capacidade de saída do enlace
Pacotes enfileirados, esperam sua vez de serem encaminhados
A
B
Pacote sendo transmitido (atraso)
Enfileiramento de pacotes (atraso)
Buffers disponíveis: pacotes que chegam são descartados (perda) se não têm buffers disponíveis
1: Introdução 90
Quatro fontes de atraso de pacotes
1. Processamento no nó: verificação de erros
determina o enlace de saída
A
B
propagação
transmissão
processamento no nó enfileiramento
2. Enfileiramento tempo de espera no
enlace de saída para transmissão
depende do nível de congestionamento do roteador
1: Introdução 91
Atraso em redes comutadas por pacotes
3. Atraso de transmissão: R=capacidade do enlace
(bps) L=tamanho do pacote
(bits) tempo para enviar bits
no enlace = L/R
4. Atraso de propagação: d = comprimento do enlace
físico s = velocidade de propagação
no meio (~2x108 m/sec) atraso de propagação = d/s
A
B
propagação
transmissão
processamentono nó enfileiramento
Nota: s e R são quantidades bastante diferentes!
1: Introdução 92
Analogia de uma caravana
Carros viajam (propagam) a 100 km/h
Cabine de pedágio leva 12 seg. para atender um carro (tempo de transmissão)
carro~bit; caravana ~ pacote
Q: Quanto tempo leva até que a caranava atinja o 2o
ponto de pedágio?
Tempo para atender a caravana inteira na rodovia: 12*10 = 120 seg
Tempo que leva para o último carro da caravana “propagar” do 1o para o 2o
ponto de pedágio: 100km/(100km/h)= 1 hr
A: 62 minutos
cabine de pedágio
cabine de pedágio
Caravana com10 carros
100 km 100 km
1: Introdução 93
Analogia de uma caravana
Carros agora propagam a 1000 km/h
A cabine agora leva 1 min para atender um carro
Q: Algum carro irá chegar ao 2o ponto de pedágio antes que todos os carros tenham sido atendidos no 1o ponto de pedágio?
Sim! Depois de 7 min, o 1o
carro atinge o 2o ponto de pedágio, enquanto ainda existem 3 carros no 1o ponto de pedágio
Os primeiros pacotes de um pacote podem chegar no 2o
roteador antes que o pacote seja completamente transmitido no 1o roteador!
cabine de pedágio
cabine de pedágio
caravana com 10 carros
100 km 100 km
1: Introdução 94
Atraso nodal
dproc = tempo de processamento Tipicamente alguns mircrosegundos ou menos
dqueue = atraso de enfileiramento Depende do congestionamento
dtrans = atraso de transmissão = L/R, significante para enlaces de baixa-velocidade
dprop = atraso de propagação Algumas centenas de milisegundos
proptransqueueprocnodal ddddd
1: Introdução 95
Atraso de enfileiramento
R=largura de banda do enlace (bps)
L=compr. do pacote (bits)
a=taxa média de chegada de pacotes
intensidade de tráfego = La/R
La/R ~ 0: pequeno atraso de enfileiramento
La/R -> 1: grande atraso
La/R > 1: chega mais “trabalho” do que a capacidade de atendimento, atraso médio infinito!
1: Introdução 96
Atraso “real” da Internet e dos roteadores
Como deve ser o atraso e perda real da Internet?
Programa Traceroute: provê medidas de atraso fim-a-fim do caminho entre o nó de origem e o nó de destino. Para cada i: envia três pacotes para o roteador i no caminho da origem
até o destino;
roteador i retorna pacotes para o emissor;
o emissor calcula o intervalo de tempo entre o envio do pacote e o recebimento da sua resposta.
3 sondagens
3 sondagens
3 sondagens
1: Introdução 97
Atraso “real” da Internet e dos roteadores
1 cs-gw (128.119.240.254) 1 ms 1 ms 2 ms2 border1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu (128.119.3.145) 1 ms 1 ms 2 ms3 cht-vbns.gw.umass.edu (128.119.3.130) 6 ms 5 ms 5 ms4 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 ms7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu (198.32.8.46) 22 ms 22 ms 22 ms8 62.40.103.253 (62.40.103.253) 104 ms 109 ms 106 ms9 de2-1.de1.de.geant.net (62.40.96.129) 109 ms 102 ms 104 ms10 de.fr1.fr.geant.net (62.40.96.50) 113 ms 121 ms 114 ms11 renater-gw.fr1.fr.geant.net (62.40.103.54) 112 ms 114 ms 112 ms12 nio-n2.cssi.renater.fr (193.51.206.13) 111 ms 114 ms 116 ms13 nice.cssi.renater.fr (195.220.98.102) 123 ms 125 ms 124 ms14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (195.220.98.110) 126 ms 126 ms 124 ms15 eurecom-valbonne.r3t2.ft.net (193.48.50.54) 135 ms 128 ms 133 ms16 194.214.211.25 (194.214.211.25) 126 ms 128 ms 126 ms17 * * *18 * * *
19 fantasia.eurecom.fr (193.55.113.142) 132 ms 128 ms 136 ms
traceroute: gaia.cs.umass.edu to www.eurecom.frTrês medidas de atraso de gaia.cs.umass.edu to cs-gw.cs.umass.edu
* Significa que nenhuma resposta foi recebida )
Enlace trans-oceânico
1: Introdução 98
Perda de pacotes
A fila dos roteadores tem uma capacidade limitada;
quando a fila está cheia, os pacotes que chegam são descartados;
Pacotes perdidos são retransmitidos pelo nó de origem ou não são retransmitidos;
A
B
packet being transmittedbuffer
(waiting area)
1: Introdução 99Introduction 1-99
Throughput
throughput: rate (bits/time unit) at which bits transferred between sender/receiver instantaneous: rate at given point in time
average: rate over longer period of time
server, withfile of F bits
to send to client
link capacityRs bits/sec
link capacityRc bits/sec
pipe that can carryfluid at rateRs bits/sec)
pipe that can carryfluid at rateRc bits/sec)
server sends bits (fluid) into pipe
1: Introdução 100Introduction 1-100
Throughput (more)
Rs < Rc What is average end-end throughput?
Rs bits/sec Rc bits/sec
Rs > Rc What is average end-end throughput?
Rs bits/sec Rc bits/sec
link on end-end path that constrains end-end throughput
bottleneck link
1: Introdução 101Introduction 1-101
Throughput: Internet scenario
10 connections (fairly) share backbone bottleneck link R bits/sec
Rs
Rs
Rs
Rc
Rc
Rc
R
per-connection end-end throughput: min(Rc,Rs,R/10)
in practice: Rc or Rs is often bottleneck
1: Introdução 102
“Camadas” de Protocolos
As redes são complexas!
muitos “pedaços”:
hosts
roteadores
enlaces de diversos meios
aplicações
protocolos
hardware, software
Pergunta:Há alguma esperança em
organizar a estrutura da rede?
Ou pelo menos a nossa discussão sobre redes?
1: Introdução 103
Organização de uma viagem aérea:
uma série de etapas
bilhete (compra)
bagagem (check in)
portão (embarque)
decolagem
rota do vôo
bilhete (reclamação)
bagagem (recup.)
portão (desembarque)
aterrissagem
rota do vôo
Roteamento do avião
1: Introdução 104
Viagem Aérea: uma visão diferente
Camadas: cada camada implementa um serviço através de elementos da própria camada depende dos serviços providos pela camada inferior
bilhete (compra)
bagagem (verificação)
portão (embarque)
decolagem
rota do vôo
bilhete (reclamação)
bagagem (recup.)
portão (desembarque)
aterrisagem
rota do vôo
roteamento do avião
1: Introdução 105
Viagem aérea em camadas: serviços
Transporte balcão a balcão de pessoas+bagagens
transporte de bagagens
transferência de pessoas: entre portões
transporte do avião de pista a pista
roteamento do avião da origem ao destino
1: Introdução 106
Implementação distribuída da funcionalidade das camadas
bilhete (compra)
bagagem (check in)
portão (embarque)
decolagem
rota de vôo
bilhete (reclamação)
bagagem (recup.)
portão (desembarque)
aterrissagem
rota de vôo
rota de vôo
aero
por
to d
e s
aída
aero
por
to d
e c
hega
da
Aeroportos intermediários
rota de vôo rota de vôo
1: Introdução 107
Por que camadas?
Lidar com sistemas complexos: estrutura explícita permite a identificação e relacionamento
entre as partes do sistema complexo
modelo de referência em camadas para discussão
modularização facilita a manutenção e atualização do sistema
mudança na implementação do serviço da camada é transparente para o resto do sistema
ex., mudança no procedimento no portão não afeta o resto do sistema
divisão em camadas é considerada prejudicial?
1: Introdução 108
Hierarquia em Camadas
1: Introdução 109
1: Introdução 110
1: Introdução 111
1: Introdução 112
1: Introdução 113
Camadas: comunicação lógica
aplicaçãotransporte
redesenlacefísica
aplicaçãotransporte
redesenlacefísica
aplicaçãotransporte
redesenlacefísica
aplicaçãotransporte
redesenlacefísica
redeenlacefísica
Cada camada:
distribuída
“entidades” implementam as funções em cada nó
entidades executam ações, trocam mensagens com os pares
1: Introdução 114
Camadas: comunicação lógica
aplicaçãotransporte
redesenlacefísica
aplicaçãotransporte
redesenlacefísica
aplicaçãotransporte
redesenlacefísica
aplicaçãotransporte
redesenlacefísica
redesenlacefísica
dados
dadosEx.: camada de
transporte recebe dados da
aplicação adiciona endereço
e verificação de erro para formar o “datagrama”
envia o datagrama para a parceira
espera que a parceira acuse o recebimento (ack)
analogia: correio
dados
transporte
transporte
ack
1: Introdução 115
Camadas: Comunicação Física
aplicaçãotransporte
redesenlacefísica
aplicaçãotransporte
redesredesfísica
aplicaçãotransporte
redesenlacefísica
aplicaçãotransporte
redesenlacefísicaa
redesenlacefísicol
dados
dados
1: Introdução 116
Pilha de protocolos Internet
aplicação: dá suporte a aplicações de rede ftp, smtp, http
transporte: transferência de dados host-a-host tcp, udp
rede: roteamento de datagramas da origem até o destino ip, protocolos de roteamento
enlace: transferência de dados entre elementos de rede vizinhos ppp, ethernet
física: bits “no fio”
aplicação
transporte
rede
enlace
física
Protocolos – Pilha TCP/IP
1: Introdução 117
1: Introdução 118
Camadas de protocolos e dados
Cada camada recebe dados da camada superior adiciona informação no cabeçalho para criar uma
nova unidade de dados passa a nova unidade de dados para a camada
inferior
aplicaçãotransporte
redesenlacefísica
aplicaçãotransporte
redesenlacefísica
origem destino
M
M
M
M
Ht
HtHn
HtHnHl
M
M
M
M
Ht
HtHn
HtHnHl
mensagem
segmento
datagrama
quadro
Encapsulamento
1: Introdução 119
End-to-End Argument
1: Introdução 120
1: Introdução 121
Modelo OSI-ISO
ISO - International Organization for Standards
OSI - Open Systems Interconnection
Modelo em 7 camadas:
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
Internet
X Transporte
Host-to-network
OSI TCP/IP
Aplicação
Tecnologias utilizadas na Internet no passado
1: Introdução 122
Request for Comments (RFC)
1: Introdução 123
RFC
1: Introdução 124
1: Introdução 125
Princípio de projeto do Modelo OSI-ISO
Uma camada deve ser criada se houver necessidade de abstração
Camadas devem executar funções bem definidas
A definição da camada deve levar em conta protocolos padronizados internacionalmente
1: Introdução 126
Princípio de projeto do Modelo OSI-ISO
Os limites de cada camada devem ser escolhidos a fim de reduzir o fluxo de informação transportada entre as interfaces;
O número de camadas deve ser suficientemente grande para que funções distintas não precisem ser desnecessariamente colocadas na mesma camada e suficientemente pequeno para que o projeto não se torne difícil de controlar;
1: Introdução 127
A Camada Física
Especificação das interfaces mecânicas, elétricas e procedurais
1: Introdução 128
A Camada de Enlace de Dados
Transformar um canal de transmissão bruta de dados em uma linha que pareça livre de erros -controle de erro
Enquadramento de dados;
Delimitação de quadros;
Controle de fluxo - acoplamento de velocidade de transmissão - transmisor / receptor
1: Introdução 129
A Camada de Rede
Controla a operação da sub-rede
Roteamento
Controle de congestionamento
Contabilidade
Interconexão de redes
1: Introdução 130
A Camada de Transporte
Aceitar dados da camada de sessão e dividi-los em unidades menores (pacotes);
Gerenciamento de conexões: estabelecimento, encerramento e multiplexação;
Primeira camada fim-a-fim;
Controle de fluxo;
1: Introdução 131
A Camada de Sessão
Gerenciamento de sessões;
Gerenciamento de tokens;
Sincronização;
1: Introdução 132
A Camada de Apresentação
Sintaxe e semântica da informação a ser transferida
Codificação dos dados
Conversão de estruturas de dados
1: Introdução 133
A Camada de Aplicação
Contém uma série de protocolos comumente necessários;
Protocolo de terminal virtual;
Protocolo de transferência de arquivos;
Cross Layer DesignExemplo: Cross-layer design framework for low-latency media streaming over ad hoc wireless network
1: Introdução 134
1: Introdução 135Introduction 1-135
Network Security
The field of network security is about: how bad guys can attack computer networks
how we can defend networks against attacks
how to design architectures that are immune to attacks
Internet not originally designed with (much) security in mind original vision: “a group of mutually trusting
users attached to a transparent network”
Internet protocol designers playing “catch-up”
Security considerations in all layers!
1: Introdução 136Introduction 1-136
Bad guys can put malware into hosts via Internet Malware can get in host from a virus, worm, or
trojan horse.
Spyware malware can record keystrokes, web sites visited, upload info to collection site.
Infected host can be enrolled in a botnet, used for spam and DDoS attacks.
Malware is often self-replicating: from an infected host, seeks entry into other hosts
1: Introdução 137Introduction 1-137
Bad guys can put malware into hosts via Internet Trojan horse
Hidden part of some otherwise useful software
Today often on a Web page (Active-X, plugin)
Virus infection by receiving
object (e.g., e-mail attachment), actively executing
self-replicating: propagate itself to other hosts, users
Worm: infection by passively
receiving object that gets itself executed
self- replicating: propagates to other hosts, users
Sapphire Worm: aggregate scans/sec
in first 5 minutes of outbreak (CAIDA, UWisc data)
1: Introdução 138Introduction 1-138
Bad guys can attack servers and network infrastructure
Denial of service (DoS): attackers make resources (server, bandwidth) unavailable to legitimate traffic by overwhelming resource with bogus traffic
1. select target
2. break into hosts around the network (see botnet)
3. send packets toward target from compromised hosts
target
1: Introdução 139Introduction 1-139
The bad guys can sniff packets
Packet sniffing: broadcast media (shared Ethernet, wireless)
promiscuous network interface reads/records all packets (e.g., including passwords!) passing by
A
B
C
src:B dest:A payload
Wireshark software used for end-of-chapter labs is a (free) packet-sniffer
1: Introdução 140Introduction 1-140
The bad guys can use false source addresses
IP spoofing: send packet with false source address
A
B
C
src:B dest:A payload
1: Introdução 141Introduction 1-141
The bad guys can record and playback
record-and-playback: sniff sensitive info (e.g., password), and use later
password holder is that user from system point of view
A
B
C
src:B dest:A user: B; password: foo
1: Introdução 142Introduction 1-142
Network Security
more throughout this course
chapter 8: focus on security
crypographic techniques: obvious uses and not so obvious uses
143
Nomeclatura
144
Nomeclatura
1: Introdução 145
História da Internet
1961: Kleinrock - teoria das filas demonstra eficiência da comutação por pacotes
1964: Baran - comutação de pacotes em redes militares
1967: concepção da ARPAnet pela ARPA (Advanced Reearch Projects Agency)
1969: entra em operação o primeiro nó da ARPAnet
1972:
Demosntração pública da ARPAnet
NCP (Network Control Protocol) - primeiro protocolo host-host
primeiro programa de e-mail
ARPAnet com 15 nós
1961-1972: Primórdios dos Princípios de redes: comutação de pacotes
1: Introdução 146
História da Internet
1970: rede de satélite ALOHAnet no Havaí
1973: Metcalfe propõe a Ethernet em sua tese de doutorado
1974: Cerf e Kahn -arquitetura para a interconexão de redes
fim dos anos 70: arquiteturas proprietárias: DECnet, SNA, XNA
fim dos anos 70: comutação de pacotes de comprimento fixo (precursor do ATM)
1979: ARPAnet tem 200 nós
Cerf and Kahn’s princípios de interconexão: minimalismo, autonomia,
não há necessidade de mudança interna para interconexão
modelo de serviço melhor esforço (best effort)
roteadores sem estado controle
descentralizadodefine a arquitetura da
Internet de hoje
1972-1980: Interconexão, novas redes privativas
1: Introdução 147
História da Internet
1983: implantação do TCP/IP
1982: definição do protocolo smtp para e-mail
1983: definição do DNS para tradução de nome para endereço IP
1985: definição do protocolo ftp
1988: controle de congestionamento do TCP
Novos backbones nacionais: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel
100,000 hosts conectados numa conferederação de redes
1980-1990: novos protocolos, proliferação de redes
1: Introdução 148
História da Internet
início dos anos 90: ARPAnet desativada
1991: NSF remove restrições ao uso comercial da NSFnet (desativada em 1995)
início dos anos 90 : WWW
hypertexto [Bush 1945, Nelson 1960’s]
HTML, http: Berners-Lee
1994: Mosaic, posteriormente Netscape
fim dos anos 90: comercialização da Web
Final dos anos 90: est. 50 milhões de
computadores na Internet
est. mais de 100 milhões de usuários
enlaces de backbone a Gbps
1996: criação do projeto INTERNET2
Segurança: uma necessidade
Novas aplicações (killer applications): napster
1990’s, 2000’s: comércio, WWW, novas aplicações
1: Introdução 149
Internet/BR
RNP teve início em 1989.
Aberta para uso comercial em 1994
Posição absoluta (Network Wizards, 1/00): Número de hosts: 446.444
13o do Mundo
3o das Américas
1o da América do Sul
4.500.000 Internautas (2/00)
Timeline – Open Source
1: Introdução 150
1: Introdução 151
Resumo da Introdução
Material coberto
Visão geral da Internet
O que é um protocolo
Periferia da rede, núcleo da rede, redes de acesso
Comutação de pacotes versus comutação de circuitos
backbones, NAPs, ISPs
Desempenho: perda e atraso
Modelo de serviços em camada
História
Conhecimento adquirido: contexto, visão geral,
sentimento da rede mais detalhes ao longo
do curso
