1

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

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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

• facebook

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