Tele-Processamento e Redes (Redes de Computadores)

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Tele-Processamento e Redes (Redes de Computadores)

• Prof. Fábio Moreira Costa
• Capítulo 1

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Introdução

• Usos de redes de computadores e suas implicações
• Hardware de redes visão geral
• LANs, MANs, WANs, PANs, SANs
• Tecnologias de interconexão (com fio, sem fio,
  broadcast)
• Software de redes visão geral
• Protocolos de rede hierarquias, camadas
• Serviços interfaces, primitivas, com e sem
  conexão
• Modelos de referência OSI, TCP/IP
• Exemplos de redes e serviços de comunicação
• Capítulo 1, Tanenbaum

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Comentários Iniciais

• No princípio computadores isolados, sem
  comunicação
• Cenário intermediário computadores (mainframes)
  com terminais conectados a eles através de linhas
  telefônicas ou canais dedicados
• Relação mestre-escravo
• Atualmente convergência das tecnologias de
  computação e comunicações
• Conectividade em rede tornou-se a regra

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Rede de Computadores

• Uma coleção interconectada de computadores
  autônomos.
• Interconectividade computadores capazes de
  trocar informações
• Cabo de cobre, fibra ótica, micro-ondas,
  satélite, etc.
• Autonomia computadores são independentes entre
  si
• Nenhuma relação do tipo mestre-escravo em geral,
  um computadore não pode controlar outros na rede

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Rede de Computadores (2)
Coulouris,DolimoreKindberg, 2001
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Redes vs. Sistemas Distribuídos

• Sistema Distribuído mascara a existência de
  múltiplos computadores autônomos
• Transparência a rede se passa por um sistema
  computacional unificado - um uniprocessador
  virtual
• O sistema operacional distribuído (ou middleware)
  se encarrega dos problemas relativos à
  distribuição
• Rede de computadores uso explícito dos recursos
  na rede
• Ex. login, acesso a arquivos remotos, disparo de
  processos remotos, aspectos de localização
• Uma questão de software

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Usos de Redes de Computadores

• Em empresas
• compartilhamento de recursos
• elevada confiabilidade e disponibilidade
• economia - fator custo/desempenho
• meio de comunicação
• Indivíduos
• acesso a informações remotas
• meio de comunicação
• entretenimento

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Implicações Sociais

• Privacidade
• Segurança
• Sobrecarga de informações
• ex. e-mail spams
• Facilidade de se publicar idéias
• mais quantidade do que qualidade
• Questões éticas

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Algumas Novas Aplicações

• Correio eletrônico
• Multimídia e Hipermídia distribuída
• Grupos de discussão
• Teleconferência
• Ensino à distância
• Comércio eletrônico
• Jogos interativos à distância
• TV interativa

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Hardware de Redes

• Classificações de redes
• Redes de broadcast vs. ponto-a-ponto
• Área de cobertura da rede
• Redes locais (LAN)
• Redes metropolitanas (MAN)
• Redes de longa distância (WAN)
• Redes de área pessoa (PAN)
• Redes de área de sistema (SAN)
• Redes sem-fio vs. redes com fio
• Inter-redes (internetworks)

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Redes de Broadcast (difusão)

• Todas as estações conectadas a um meio físico
  compartilhado
• Mensagens (pacotes) enviados por uma estação são
  vistas por todas as demais
• Endereçamento
• para destinos específicos unicasting
• Mensagens endereçadas para outras máquinas são
  ignoradas
• para todas as estações broadcasting
• para grupos de estações multicasting

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Redes ponto-a-ponto

• Conexões dedicadas interconectam pares de
  estações
• Mensagens precisam passar por estações
  intermediárias até chegar ao destino
• roteamento
• caminhos alternativos
• Em geral unicasting
• Broadcasting/Multicasting requer o envio de
  múltiplas mensagens

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Área de Cobertura de uma Rede

• 0.1m multiprocessadores, máquinas data flow
• 1m multicomputadores
• 1-10m redes de área de sistema (SAN), cluster,
  redes de área pessoal (PAN)
• 10-1000m redes locais (LAN)
• 10Km redes metropolitanas (MAN)
• gt 100Km redes de longa distância (WAN),
  redes globais (ex. Internet)

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Redes Locais (LAN)

• Área de cobertura limitada
• Dentro de uma área física
• Dentro de uma instituição
• Permite suposições sobre
• atrasos de transmissão, padrões de uso
• Simplifica o projeto e gerenciamento
• Meios de transmissão
• Meios compartilhados (broadcast)
• Cabos de cobre, fibra ótica, rádio

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Redes Locais (2)

• Desempenhos típicos
• Taxas de transmissão 10Mbps 1Gbps
• 1 megabit 1.000.000 bits (não 220 bits!)
• Atrasos de transmissão da ordem de dezenas de
  microssegundos
• Taxa de erros 10-6 10-9
• Topologias
• Barramento
• Anel

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Redes Locais (3)
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Redes Locais (4)

• Controle de acesso ao meio
• Estático
• Reservar fatias de tempo fixas para cada estação
  transmitir
• Dinâmico
• Centralizado um nó central da rede dertermina
  qual estação será a próxima a transmitir, com
  base em algum algoritmo de alocação
• Descentralizado cada estação decide quando
  transmitir ou não
• Algoritmos (distribuídos) de controle de contenção

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Redes Metropolitanas

• Versão ampliada de uma rede local
• Meio compartilhado, controle de acesso ao meio,
  etc
• Protocolos e estruturas especiais para lidar com
  distâncias maiores
• Tipicamente sem elementos de chaveamento
• Uma única rede física (ex. um par de cabos)
• Atualmente
• Tecnologias LAN / WAN têm ganhado terreno no
  contexto de redes metropolitanas

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Redes Metropolitanas (2)

• Exemplo clássico
• DQDB (Distributed Queue Dual Bus) IEEE 802.6 MAN

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Redes de Longa Distância (WAN)

• Extensão geográfica
• Dois tipos de hardware
• Hosts processamento de aplicação
• Estações de trabalho, sistemas terminais (end
  systems)
• Sub-Rede de comunicação (subnet) dedicada à
  condução de mensagens entre hosts
• Linhas de comunicação (canais, circuitos,
  troncos)
• Elementos de comutação (chaveamento)
  computadores especializados usados para
  interconectar duas ou mais linhas de transmissão
• Ponto-a-ponto

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WANs Elementos de Comutação

• Designações alternativas
• nós de comutação de pacotes
• sistemas intermediários
• centrais de comutação de dados
• roteadores
• Recebem dados (pacotes) por meio de uma linha de
  transmissão e os re-transmitem por meio de outra
• Roteamento de pacotes
• Host de origem ? nós intermediários ? host de
  destino
• Store-and-forward, comutação de pacotes

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WANs configuração típica
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WANs Topologias
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Redes Sem Fio (wireless)

• Mobilidade Conectividade
• Dispositivos móveis
• PDAs, notebooks, telefones celulares
• Aplicações móveis
• Escritório portátil, serviços de emergência,
  etc...
• Alternativa a redes com cabeamento
• Em edifícios antigos/históricos
• Distâncias variadas (tecnologias diferentes)
• poucos metros LANs (802.11), PANs (Bluetooth)
• a alguns kilômetros WANs (sitema móvel celular)

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Redes Sem Fio (2)

• Taxas de transmissão mais baixas que em redes com
  cabeamento
• 2Mbps a 11Mbps tipicamente (até 54Mbps)
• Taxas de erros mais altas
• Interferência de sinal, caminhos múltiplos
• Problemas de segurança

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Inter-Redes (Internetworking)

• Conectando redes independentes e possivelmente
  incompatíveis para formar uma teia de redes
• Gateways resolvem as incompatibilidades (de
  hardware e software) entre as redes
  interconectadas
• Conversão de protocolos, tipos de serviço,
  endereçamento, etc.

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Interconexão de Redes
Rede de Interconexão
Gateway
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Software de Redes

• Hierarquias de protocolos e camadas
• Interfaces (entre camadas ajacentes) e serviços
• Serviços orientados a conexão e sem conexão
• Primitivas de serviço
• Serviços Vs. Protocolos

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Hierarquias de Protocolos

• Objetivo Estratificar a rede em camadas, de
  forma a simplificar o projeto/implementação
• Uma camada utiliza serviços da camada inferior e
  oferece serviços para a camada superior

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Hierarquias de Protocolos (2)

• Em cada máquina, o hardware/software de redes é
  estruturado em camadas
• A camada n em uma máquina conversa com a camada
  n em outra máquina
• Protocolo da camada n acordo mútuo sobre como a
  comunicação deve proceder (na camada n)
• Regras de formatação e tipos de pacotes, ordem
  dos pacotes, etc.
• Detalhes de camadas inferiores são abstraídos

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Hierarquias de Protocolos (3)
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Hierarquias de Protocolos (4)

• Camadas adjacentes interagem através de
  interfaces bem definidas
• Operações e serviços que a camada inferior
  oferece à camada superior
• Contribui para a independência entre as
  implementações das camadas
• A implementação de uma camada pode ser
  substituída por outra implementação sem afetar as
  camadas adjacentes
• Desde que a interface seja preservada!

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Hierarquias de Protocolos (5)

• Arquitetura de rede
• Conjunto de camadas e protocolos
• Pilha de protocolos
• Especificação completa para garantir a
  interoperabilidade de implementações diferentes
  com respeito ao protocolo de cada camada
• Não são parte da arquitetura
• Detalhes de implementação
• Especificação das interfaces entre camadas

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Hierarquias de ProtocolosUma Analogia
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Hierarquia de ProtocolosFluxo de Informações
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Camadas de Protocolos Aspectos de Projeto

• Identificação e endereçamento
• Transmissores e receptores
• Regras de transferência de dados
• Simplex
• Half-duplex
• Full-duplex
• Controle de erros de transmissão
• Protocolos para detecção e correção de erros

t1
t2
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Camadas de Protocolos Aspectos de Projeto (2)

• Ordem das mensagens
• Numeração seqüencial
• Re-ordenação
• Controle de fluxo
• Protocolo de acknowledgement
• Fixar um limite à taxa de transmissão
• Tamanho das mensagens aceitas pela camada
• Quebra e re-montagem de mensagens longas
• Combinação e desmembramento de msgs. curtas

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Camadas de Protocolos Aspectos de Projeto (3)

• Multiplexação
• Uso de uma mesma conexão para transmitir
  múltiplas conversações entre processos
  diferentes
• Roteamento
• Definir o caminho pelo qual mensagens trafegarão
  para atingir o destino

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Interfaces e ServiçosTerminologia
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Interfaces e ServiçosTerminologia
Entidades pares
Entidade da camada n1
n1-PDU
Interface
IDU
IDU
ICI
SDU
SDU
ICI
A camada n oferece um serviço à camada n1
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Serviços Orientados a Conexão

• 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
• Propriedades da conexão, rota associada, etc.
• A ordem das mensagens é preservada

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Serviços sem Conexão

• Cada mensagem individual
• é independente das demais
• contém o endereço completo do destino
• pode ser roteada por um caminho diferente
• A ordem das mensagens pode ser alterada
  (incidentalmente)
• Às vezes chamado de serviço de datagrama

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Qualidade de Serviço

• Confiabilidade
• nível de perda e/ou embaralhamento de mensagens
• Serviços orientados a conexão são tipicamente
  confiáveis neste sentido
• baseados em seqüências de mensagens
• baseados em fluxo de bytes
• overhead adicional para estabelecer a conexão
• garantia de alta confiabilidade acknowledgement
• Embora nem toda aplicação possa aceitar o overhead

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Qualidade de Serviço (2)

• Em serviços de datagrama (sem conexão)
• Tipicamente não confiáveis
• As mensagens têm uma boa probabilidade de serem
  entregues ao destino, mas sem garantias
• Serviço de datagrama confiável acknowledgement
• Em um nível mais elevado request-reply
• Típico em sistemas cliente/servidor

A
B
request
reply
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Tipos de Serviço Resumo
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Primitivas de Serviço

• Usadas pela entidade da camada n1 para
  determinar a ação de serviço a ser executada pela
  entidade da camada provedora (n)
• 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
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Primitivas de Serviço - Exemplo
Computador 1
Computador 2
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Primitivas de Serviço Visualização em Camadas
Computador 1
Computador 2
CONNECT.request
CONNECT.indication
CONNECT.response
CONNECT.confirm
DATA.request
DATA.indication
DATA.request
...
DATA.indication
DATA.request
DATA.indication
DISCONNECT.request
DISCONNECT.indication
camada n1
camada n1
camada n
camada n
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Primitivas de Serviços
Legenda
1- CONNECT.request 2- CONNECT.indication 3-
CONNECT.response 4- CONNECT.confirm
5- DATA.request 6- DATA.indication 3-
DISCONNECT.request 4- DISCONNECT.indication
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Serviços vs. Protocolos

• Serviço
• Conjunto de primitivas que uma camada provê para
  a camada imediatamente superior
• Definido pela interface entre as duas camadas
• Protocolo
• Conjunto de regras governando o formato e o
  significado das mensagens (ou quadros, ou
  pacotes) trocadas entre entidades pares em uma
  mesma camada
• Relacionado com a implementação do serviço
• Dois conceitos distintos/independentes

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Modelos de Referência

• OSI-RM
• TCP/IP

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O Modelo de Referência OSI

• Padrão ISO (International Organization for
  Standardization)
• Conexão de sistemas abertos
• Sistemas capazes de se comunicar utilizando
  protocolos e serviços padrão (não-proprietários)
• Divide uma arquitetura de redes em camadas
• Sete camadas no total
• Valor histórico-didático atualmente
• Implementações não atingiram o mercado

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O Modelo de Referência OSI
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OSI Princípios para definição das camadas

• Cada camada define um nível de abstração
  diferente
• Cada camada realiza uma função bem definida
• Protocolos padronizados internacionalmente em
  cada camada
• Minimizar o fluxo de informações entre camadas
• Número de camadas
• Grande o suficiente para não misturar funções
  diferentes
• 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
• Apenas a funcionalidade associada a cada camada
• Padrões complementares da ISO protocolos e
  serviços para as camadas

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OSI Camada Física

• Transmissão de bits crus em um canal de
  comunicação
• Um bit transmitido como 1 deve ser recebido como
  1 (e não 0) do outro lado do canal
• Níveis de voltagem para representar 1s e 0s
• Duração do sinal correspondente a cada bit
• Direcionalidade da transmissão ? ? ?
• Estabelecimento e término de conexões
• Interface física
• Aspectos mecânicos, elétricos e procedurais
• Meio físico de transmissão

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OSI Camada de Enlace

• Prover um canal lógico de comunicação
• Livre de erros não detectados
• Estruturado
• Fluxo de dados é segmentado em quadros (frames)
  transmitidos seqüencialmente
• Delimitadores de início e fim de quadros
• Padrões de bits especiais
• Com reconhecimento de quadros transmitidos/recebid
  os
• Quadros especiais de acknowledgement (ACK)
• Evitar a perda de quadros

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Camada de Enlace Problemas a serem resolvidos

• Delimitação de quadros
• Perda e adulteração de quadros
• Detecção e correção de erros
• Retransmissão
• Duplicação de quadros retransmitidos
• Ex. se o reconhecimento de um quadro for perdido
• Controle de fluxo
• Transmissão eficiente de quadros de ACK
• Piggybacking ACKs pegam carona em quadros
  transmitidos no sentido oposto ao dos quadros
  sendo reconhecidos
• Controle de acesso ao meio Sub-camada MAC

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OSI Camada de Redes

• Controle da operação da sub-rede
• Roteamento
• Controle de congestionamento
• Contabilização de uso da rede (para efeitos de
  custo)
• Conexão de redes heterogêneas
• conversão de protocolos, endereços, etc.

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OSI Camada de Transporte

• Segmentação de mensagens
• Em unidades (pacotes) menores que possam ser
  tratadas pela camada de redes
• Se necessário

Camada de Transporte
Mensagem
Camada de Redes
Pacotes
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Camada de Transporte (2)

• Multiplexação de várias conexões de transporte em
  uma única conexão da camada de redes (a)
• Uso de várias conexões em nível de rede para
  transmitir uma única conexão de transporte (b)

(a)
(b)
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Camada de Transporte (3)

• Tipo de serviço provido à camada superior
• Conexão ponto-a-ponto confiável (livre de erros)
• Datagrama (mensagens isoladas), sem garantias de
  ordenação
• Broadcast de mensagens para múltiplos destinos
• Controle de fluxo

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Camada de Transporte (4)

• Comunicação fim-a-fim
• Entre processos localizados em máquinas
  diferentes
• Um nível adicional de endereçamento

Host B
Host A
Conexão de rede
Conexão de transporte
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