TeleProcessamento e Redes Redes de Computadores Prof Fbio

Tele-Processamento e Redes (Redes de Computadores) Prof. Fábio Moreira Costa Capítulo 1

Introdução q Usos de redes de computadores e suas implicações q Hardware de redes: visão geral q q LANs, MANs, WANs, PANs, SANs q Tecnologias de interconexão (com fio, sem fio, broadcast) Software de redes: visão geral q Protocolos de rede: hierarquias, camadas q Serviços: interfaces, primitivas, com e sem conexão q Modelos de referência: OSI, TCP/IP q Exemplos de redes e serviços de comunicação q Capítulo 1, Tanenbaum Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 2

Comentários Iniciais q No princípio: computadores isolados, sem comunicação q Cenário intermediário: computadores (mainframes) com terminais conectados a eles através de linhas telefônicas ou canais dedicados q q Relação mestre-escravo Atualmente: convergência das tecnologias de computação e comunicações q Conectividade em rede tornou-se a regra Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 3

Rede de Computadores q Uma coleção interconectada de computadores autônomos. q Interconectividade: computadores capazes de trocar informações q q Cabo de cobre, fibra ótica, micro-ondas, satélite, etc. Autonomia: computadores são independentes entre si q Nenhuma relação do tipo mestre-escravo: em geral, um computadore não pode controlar outros na rede Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 4

Rede de Computadores (2) intranet ISP backbone satellite link desktop computer: server: network link: [Coulouris, Dolimore&Kindberg, 2001] Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 5

Redes vs. Sistemas Distribuídos q Sistema Distribuído: mascara a existência de múltiplos computadores autônomos q Transparência: a rede se passa por um sistema computacional unificado - um uniprocessador virtual q q Rede de computadores: uso explícito dos recursos na rede q q O sistema operacional distribuído (ou middleware) se encarrega dos problemas relativos à distribuição Ex. : login, acesso a arquivos remotos, disparo de processos remotos, aspectos de localização Uma questão de software Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 6

Usos de Redes de Computadores q q Em empresas q compartilhamento de recursos q elevada confiabilidade e disponibilidade q economia - fator custo/desempenho q meio de comunicação Indivíduos q acesso a informações remotas q meio de comunicação q entretenimento Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 7

Implicações Sociais q Privacidade q Segurança q Sobrecarga de informações q q Facilidade de se publicar idéias q q ex. : e-mail spams mais quantidade do que qualidade Questões éticas Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 8

Algumas Novas Aplicações q Correio eletrônico q Multimídia e Hipermídia distribuída q Grupos de discussão q Teleconferência q Ensino à distância q Comércio eletrônico q Jogos interativos à distância q TV interativa Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 9

Hardware de Redes q Classificações de redes q Redes de broadcast vs. ponto-a-ponto q Área de cobertura da rede q q q Redes locais (LAN) q Redes metropolitanas (MAN) q Redes de longa distância (WAN) q Redes de área pessoa (PAN) q Redes de área de sistema (SAN) Redes sem-fio vs. redes com fio Inter-redes (internetworks) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 10

Redes de Broadcast (difusão) q Todas as estações conectadas a um meio físico compartilhado q Mensagens (pacotes) enviados por uma estação são vistas por todas as demais q Endereçamento: q para destinos específicos: unicasting q Mensagens endereçadas para outras máquinas são ignoradas q para todas as estações: broadcasting q para grupos de estações: multicasting Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 11

Redes ponto-a-ponto q Conexões dedicadas interconectam pares de estações q Mensagens precisam passar por estações intermediárias até chegar ao destino q roteamento q caminhos alternativos q Em geral: unicasting q Broadcasting/Multicasting: requer o envio de múltiplas mensagens Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 12

Área de Cobertura de uma Rede q 0. 1 m: multiprocessadores, máquinas data flow q 1 m: multicomputadores q 1 -10 m: redes de área de sistema (SAN), cluster, redes de área pessoal (PAN) q 10 -1000 m: redes locais (LAN) q 10 Km: redes metropolitanas (MAN) q > 100 Km: redes de longa distância (WAN), redes globais (ex. : Internet) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 13

Redes Locais (LAN) q q Área de cobertura limitada q Dentro de uma área física q Dentro de uma instituição q Permite suposições sobre: q atrasos de transmissão, padrões de uso Ø Simplifica o projeto e gerenciamento Meios de transmissão q Meios compartilhados (broadcast) q Cabos de cobre, fibra ótica, rádio Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 14

Redes Locais (2) q Desempenhos típicos q Taxas de transmissão: 10 Mbps – 1 Gbps q q 1 megabit = 1. 000 bits (não 220 bits!) q Atrasos de transmissão: da ordem de dezenas de microssegundos q Taxa de erros: 10 -6 – 10 -9 Topologias q Barramento q Anel Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 15

Redes Locais (3) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 16

Redes Locais (4) q Controle de acesso ao meio q Estático q q Reservar fatias de tempo fixas para cada estação transmitir Dinâmico q Centralizado: um nó central da rede dertermina qual estação será a próxima a transmitir, com base em algum algoritmo de alocação q Descentralizado: cada estação decide quando transmitir ou não q Algoritmos (distribuídos) de controle de contenção Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 17

Redes Metropolitanas q Versão ampliada de uma rede local q q q Protocolos e estruturas especiais para lidar com distâncias maiores Tipicamente sem elementos de chaveamento q q Meio compartilhado, controle de acesso ao meio, etc Uma única rede física (ex. um par de cabos) Atualmente: q Tecnologias LAN / WAN têm ganhado terreno no contexto de redes metropolitanas Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 18

Redes Metropolitanas (2) q Exemplo clássico q DQDB (Distributed Queue Dual Bus) – IEEE 802. 6 MAN Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 19

Redes de Longa Distância (WAN) q Extensão geográfica q Dois tipos de hardware: q Hosts: processamento de aplicação q q Estações de trabalho, sistemas terminais (end systems) Sub-Rede de comunicação (subnet): dedicada à condução de mensagens entre hosts q Linhas de comunicação (canais, circuitos, troncos) q Elementos de comutação (chaveamento): computadores especializados usados para interconectar duas ou mais linhas de transmissão q Ponto-a-ponto Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 20

WANs – Elementos de Comutação q q Designações alternativas: q nós de comutação de pacotes q sistemas intermediários q centrais de comutação de dados q roteadores Recebem dados (pacotes) por meio de uma linha de transmissão e os re-transmitem por meio de outra q Roteamento de pacotes q q Host de origem nós intermediários host de destino Store-and-forward, comutação de pacotes Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 21

WANs – configuração típica Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 22

WANs – Topologias Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 23

Redes Sem Fio (wireless) q Mobilidade + Conectividade q Dispositivos móveis q q Aplicações móveis q q Escritório portátil, serviços de emergência, etc. . . Alternativa a redes com cabeamento q q PDAs, notebooks, telefones celulares Em edifícios antigos/históricos Distâncias variadas (tecnologias diferentes) q poucos metros: LANs (802. 11), PANs (Bluetooth) q a alguns kilômetros: WANs (sitema móvel celular) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 24

Redes Sem Fio (2) q Taxas de transmissão mais baixas que em redes com cabeamento q q Taxas de erros mais altas q q 2 Mbps a 11 Mbps tipicamente (até 54 Mbps) Interferência de sinal, caminhos múltiplos Problemas de segurança Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 25

Inter-Redes (Internetworking) q Conectando redes independentes e possivelmente incompatíveis para formar uma teia de redes q Gateways: resolvem as incompatibilidades (de hardware e software) entre as redes interconectadas q Conversão de protocolos, tipos de serviço, endereçamento, etc. Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 26

Interconexão de Redes Rede de Interconexão Gateway Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 27

Software de Redes q Hierarquias de protocolos e camadas q Interfaces (entre camadas ajacentes) e serviços q Serviços orientados a conexão e sem conexão q Primitivas de serviço q Serviços Vs. Protocolos Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 28

Hierarquias de Protocolos q. Objetivo: Estratificar a rede em camadas, de forma a simplificar o projeto/implementação q. Uma camada utiliza serviços da camada inferior e oferece serviços para a camada superior Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 29

Hierarquias de Protocolos (2) q Em cada máquina, o hardware/software de redes é estruturado em camadas q A camada n em uma máquina “conversa” com a camada n em outra máquina q Protocolo da camada n: acordo mútuo sobre como a comunicação deve proceder (na camada n) q q Regras de formatação e tipos de pacotes, ordem dos pacotes, etc. Detalhes de camadas inferiores são abstraídos Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 30

Hierarquias de Protocolos (3) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 31

Hierarquias de Protocolos (4) q Camadas adjacentes interagem através de interfaces bem definidas q Operações e serviços que a camada inferior oferece à camada superior q Contribui para a independência entre as implementações das camadas q A implementação de uma camada pode ser substituída por outra implementação sem afetar as camadas adjacentes q Desde que a interface seja preservada! Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 32

Hierarquias de Protocolos (5) q Arquitetura de rede: q Conjunto de camadas e protocolos q Pilha de protocolos q Especificação completa para garantir a interoperabilidade de implementações diferentes com respeito ao protocolo de cada camada q Não são parte da arquitetura: q Detalhes de implementação q Especificação das interfaces entre camadas Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 33

Hierarquias de Protocolos: Uma Analogia Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 34

Hierarquia de Protocolos: Fluxo de Informações Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 35

Camadas de Protocolos: Aspectos de Projeto q Identificação e endereçamento q q q Transmissores e receptores Regras de transferência de dados q Simplex q Half-duplex q Full-duplex t 1 t 2 Controle de erros de transmissão q Protocolos para detecção e correção de erros Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 36

Camadas de Protocolos: Aspectos de Projeto (2) q Ordem das mensagens q q q Controle de fluxo q q q Numeração seqüencial Re-ordenação Protocolo de acknowledgement Fixar um limite à taxa de transmissão Tamanho das mensagens aceitas pela camada q q Quebra e re-montagem de mensagens longas Combinação e desmembramento de msgs. curtas Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 37

Camadas de Protocolos: Aspectos de Projeto (3) q Multiplexação q q Uso de uma mesma conexão para transmitir múltiplas “conversações” entre processos diferentes Roteamento q Definir o caminho pelo qual mensagens trafegarão para atingir o destino Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 38

Interfaces e Serviços: Terminologia Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 39

Interfaces e Serviços: Terminologia Entidades pares Entidade da camada n+1 -PDU Interface IDU ICI SDU SDU’ n-PDU ICI SDU” n-PDU A camada n oferece um serviço à camada n+1 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 40

Serviços Orientados a Conexão q q Uma conexão precisa ser estabelecida antes que mensagens individuais sejam transmitidas A conexão permanece aberta enquanto durar a transmissão das mensagens (sessão) A conexão é fechada quando a sessão terminar Todas as mensagens transmitidas por uma conexão estão sujeitas ao mesmo tratamento q q Propriedades da conexão, rota associada, etc. A ordem das mensagens é preservada Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 41

Serviços sem Conexão q Cada mensagem individual q é independente das demais q contém o endereço completo do destino q pode ser roteada por um caminho diferente q A ordem das mensagens pode ser alterada (incidentalmente) q Às vezes chamado de serviço de datagrama Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 42

Qualidade de Serviço q Confiabilidade q q nível de perda e/ou “embaralhamento” de mensagens Serviços orientados a conexão são tipicamente confiáveis neste sentido q q baseados em seqüências de mensagens baseados em fluxo de bytes overhead adicional para estabelecer a conexão garantia de alta confiabilidade: acknowledgement q Embora nem toda aplicação possa aceitar o overhead Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 43

Qualidade de Serviço (2) q Em serviços de datagrama (sem conexão) q Tipicamente não confiáveis q As mensagens têm uma boa probabilidade de serem entregues ao destino, mas sem garantias q Serviço de datagrama confiável: acknowledgement q Em um nível mais elevado: request-reply q Típico em sistemas cliente/servidor A B reque st ly rep Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 44

Tipos de Serviço: Resumo Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 45

Primitivas de Serviço q Usadas pela entidade da camada n+1 para determinar a ação de serviço a ser executada pela entidade da camada provedora (n) q Classificação das primitivas comuns Primitiva Significado Requisição Uma entidade requer que o serviço realize alguma tarefa Indicação Uma entidade é informada sobre a ocorrência de um evento Resposta Uma entidade quer responder a um evento (ou requisição) Confirmação A resposta a uma requisição anterior foi recebida Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 46

Primitivas de Serviço - Exemplo Computador 1 Computador 2 CONNECT. request CONNECT. indication CONNECT. response CONNECT. confirm DATA. request DISCONNECT. request DATA. indication . . . DATA. indication DISCONNECT. indication Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 47

Primitivas de Serviço: Visualização em Camadas Computador 1 Computador 2 CONNECT. request CONNECT. indication CONNECT. response CONNECT. confirm DATA. request DATA. indication . . . DATA. indication DISCONNECT. request camada n+1 DISCONNECT. indicatio camada n Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG camada n+1 48

Primitivas de Serviços Legenda: 1 - CONNECT. request 5 - DATA. request 2 - CONNECT. indication 6 - DATA. indication 3 - CONNECT. response 3 - DISCONNECT. request 4 - CONNECT. confirm 4 - DISCONNECT. indication Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 49

Serviços vs. Protocolos q Serviço: q Conjunto de primitivas que uma camada provê para a camada imediatamente superior q q q Definido pela interface entre as duas camadas Protocolo: q Conjunto de regras governando o formato e o significado das mensagens (ou quadros, ou pacotes) trocadas entre entidades pares em uma mesma camada q Relacionado com a implementação do serviço Dois conceitos distintos/independentes Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 50

Modelos de Referência q OSI-RM q TCP/IP Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 51

O Modelo de Referência OSI q q Padrão ISO (International Organization for Standardization) Conexão de sistemas abertos q q Divide uma arquitetura de redes em camadas q q Sistemas capazes de se comunicar utilizando protocolos e serviços padrão (não-proprietários) Sete camadas no total Valor histórico-didático atualmente q Implementações não atingiram o mercado Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 52

O Modelo de Referência OSI 53

OSI: Princípios para definição das camadas q Cada camada define um nível de abstração diferente q Cada camada realiza uma função bem definida q Protocolos padronizados internacionalmente em cada camada q Minimizar o fluxo de informações entre camadas q Número de camadas q q Grande o suficiente para não misturar funções diferentes q Pequeno o suficiente para não dificultar o projeto e implementação de uma arquitetura de redes OSI-RM não define uma arquitetura de redes em si q Apenas a funcionalidade associada a cada camada q Padrões complementares da ISO: protocolos e serviços para as camadas Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 54

OSI: Camada Física q Transmissão de bits “crus” em um canal de comunicação q Um bit transmitido como 1 deve ser recebido como 1 (e não 0) do outro lado do canal q Níveis de voltagem para representar 1 s e 0 s q Duração do sinal correspondente a cada bit q Direcionalidade da transmissão q Estabelecimento e término de conexões q Interface física q q Aspectos mecânicos, elétricos e procedurais Meio físico de transmissão Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 55

OSI: Camada de Enlace q Prover um canal lógico de comunicação q Livre de erros não detectados q Estruturado q Fluxo de dados é segmentado em quadros (frames) transmitidos seqüencialmente q Delimitadores de início e fim de quadros q q Padrões de bits especiais Com reconhecimento de quadros transmitidos/recebidos q Quadros especiais de acknowledgement (ACK) q Evitar a perda de quadros Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 56

Camada de Enlace: Problemas a serem resolvidos q Delimitação de quadros q Perda e adulteração de quadros q q Detecção e correção de erros q Retransmissão Duplicação de quadros retransmitidos q Ex. : se o reconhecimento de um quadro for perdido q Controle de fluxo q Transmissão eficiente de quadros de ACK q q Piggybacking: ACKs pegam carona em quadros transmitidos no sentido oposto ao dos quadros sendo reconhecidos Controle de acesso ao meio: Sub-camada MAC Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 57

OSI: Camada de Redes q Controle da operação da sub-rede q q Roteamento Controle de congestionamento Contabilização de uso da rede (para efeitos de custo) Conexão de redes heterogêneas q conversão de protocolos, endereços, etc. Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 58

OSI: Camada de Transporte q Segmentação de mensagens q Em unidades (pacotes) menores que possam ser tratadas pela camada de redes q Se necessário Camada de Transporte Mensagem Camada de Redes Pacotes Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 59

Camada de Transporte (2) q Multiplexação de várias conexões de transporte em uma única conexão da camada de redes (a) q Uso de várias conexões em nível de rede para transmitir uma única conexão de transporte (b) Camada de Transporte Camada de Redes (a) (b) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 60

Camada de Transporte (3) q q Tipo de serviço provido à camada superior q Conexão ponto-a-ponto confiável (livre de erros) q Datagrama (mensagens isoladas), sem garantias de ordenação q Broadcast de mensagens para múltiplos destinos Controle de fluxo Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 61

Camada de Transporte (4) q Comunicação fim-a-fim q Entre processos localizados em máquinas diferentes Um nível adicional de endereçamento Host B Host A q Conexão de rede Conexão de transporte Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 62