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Seminário IT1-Março-1999
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Seminário IT1-Março-1999
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Tópicos - 1ª Parte
• O que são as redes de
computadores
• Que funcionalidades oferecem
• Quais os principais componentes
• Como são organizadas
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Evolução Histórica
* Computadores centrais isolados
* Necessidade de um computador ter acesso a informação produzida noutro
* Redes experimentais (ARPANET)
* Avanços nas telecomunicações
* Avanços na tecnologia dos processadores (década de 80 - microprocessadores)
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Rede de Computadores• conjunto de computadores
interligados através de linhas de comunicação e usando protocolos comuns
Sistema Distribuído• sistema constituído por vários
computadores, mas cuja realização física é transparente ao utilizador
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Finalidades das Redes
- Partilha de Recursos (discos, impressoras, comunicações, ...)
- Sistemas dedicados (file-server, communication-server, ...)
- Alta fiabilidade
- Economia
- Natureza distribuída das organizações
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Aplicações das Redes
• Reservas aéreas
• Informações meteorológicas
• Fábrica / Armazém / Administração
• Informação a nível mundial
• Troca rápida de informação entre empresas
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Estruturas das Redes
• Computadores• Hardware• Software
• Rede de comunicação / linha de transmissão
• meios de transmissão• meios de comutação
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Topologia das Redes
Modo como os elementos da rede estão interligados
• Centralizadas• Anel• Árvore• BUS• Irregulares
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Taxonomia das Redes
• LAN (Local Area Network)
( > 1 Mbps)
• WAN (Wide Area Network)
( <= 64kbps)
• MAN (Metropolitan Area Network)
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Tipos de Redes
LANs
• Velocidades grandes
• Distâncias geográficas pequenas
• Tempos de atraso pequenos
• Todos os computadores ligados directamente à rede
WANs
• Velocidades pequenas
• Distâncias geográficas grandes
• Tempos de atraso grandes
• Acesso através de nós de rede
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Normalização
De Jure De
Facto
Necessidade• Evitar a multiplicação de protocolos incompatíveis• Criar plataforma de entendimento de conceitos
Vantagens• Independência dos utilizadores sobre os fabricantes• Investimento de longo prazo
Desvantagens• Processo moroso e pesado• Soluções atingidas nem sempre são as óptimas por se
terem de atingir compromissos
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Organismos de Telecomunicações e
Normalização• CCITT - Comité Consultatif International de
Télégraphique et Téléphonique (ITU-T)
• ISO - International Standards Organization
• IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers
• IETF - Internet Engineering Task Force
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O Modelo de Referência
OSI
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Protocolo
(Uma primeira definição
informal)
Conjunto de regras e estruturas de dados trocadas entre dois computadores para garantir uma comunicação coerente
- Estruturas de dados: formatos das mensagens trocadas entre os computadores, e seu significado
- Regras: sequenciamento das mensagens trocadas entre os computadores
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Definições Fundamentais
(algumas)
- Rede ponto-a-ponto
(point-to-point)
- Rede de difusão
(broadcast)
- Rede de comutação de circuitos
- Rede de comutação de pacotes
- Armazenamento e envio (store and forward)
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Conversoresde
Protocolos
Gateway - conversor ao nível 7 do modelo de
referência OSI
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Tipos de Serviços
Connection Oriented Services
Modo de comunicação no qual as entidades, antes de
comunicarem, negoceiam o estabelecimento de uma
ligação, depois comunicam e, quando a comunicação
já não é necessária desactivam a ligação
Connectionless Services
Modo de comunicação no qual as entidades se limitam a trocar mensagens (datagramas) sempre que tal é necessário
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Conceitos AdicionaisArquitectura de Rede
- Conjunto de camadas, suas funcionalidades e protocolos
Interface
- Unidade funcional que separa 2 níveis adjacentes
(Exº Interface Transporte <-> Rede )
API - Application Programming Interface
- Interface aplicacional (conjunto de funções) que dá acesso às facilidades de um determinado nível
(Exº TLI - Transport Layer Interface)
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Processamento de Mensagens
Modelo de Referência OSI
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Funções dos NíveisFísico (Physical)
• Transmissão de bits num canal de comunicação
• Interfaces físicas, eléctricas e mecanicas do meio de transmissão
Dados (Data Link)
• Usar os mecanismos do nível físico para fornecer ao nível de rede um canal de transmissão virtualmente sem erros
• Envia e recebe sequêncais de bits, detecta eventuais erros e assinala a recepção de sequencias correctas ao emissor
– Estabelece e reconhece limites de sequencias
– Reconhece erros
– Reconhece sequencais duplicadas
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Funções dos NíveisRede (Network)
• Controlo da operação de transferência de dados• Como fazer chegar uma mensagem da origem ao destino• Controlo de fluxo• Contabilização
Transporte (Transport)• Transmissão fiável entre os 2 computadores de mensagens
arbitrárias e isolando características dos níveis inferiores• Assegurar ligação de dados origem/destino• Fragmenta a mensagem em pedaços aceitáveis pelos níveis
inferiores• Assegura multiplexagem de ligações caso seja necessário para
assegurar qualidade de serviço• Controlo de fluxo entre computadores
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Funções dos Níveis
Sessão (Session)
• Permite estabelecimento de sessões entre aplicações que funcionam os sistemas que comunicam
– Promove controlo de interacção
(Exº Full-duplex, half-duplex, ...)
– Permite sincronização entre entidades remotas
Apresentação (Presentation)
• Faculta serviços comuns as diferentes aplicações, nomedamante as relativas à sintaxe e semântica da informação a transmitir
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Funções dos Níveis
Aplicação (Application)
• Realiza os serviços realmente interessantes para o utilizador
– Terminal Virtual
– Transferência de ficheiros
– Correio Electrónico
– Directório
– Gestão da rede
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Meios de Transmissão
Par entrançado
Conjunto de fios de cobre enrolados entre si, como uma helicoidal, e isolados electricamente
• Largura de banda depende da espessura dos fios (cobre e isolante) e do passo da helicóide.
• São um meio económico
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Meios de Transmissão
Cabo Coaxial
• Velocidade de transmissão depende do tipo de cabo coaxial (diâmetros, ...)
• Ligações são dispendiosas (fichas especiais)
• Exigem terminações eléctricas
• Ligações são dispendiosas
• Limites de distância dependem de tipo de cabo e frequência de transmissão
• Ligações tem de respeitar certos limites (distância entre ligações, por exemplo
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Meios de TransmissãoFibra Óptica
• Fio de sílica central, com protecção exterior
• Fibra mono-modo ou multi-modo
• Emissão de informação através de modulação de luz através de LEDs
• Ligações difíceis e dispendiosas
• Transmissão a grandes distâncias
• Alta capacidade de envio de informação
• Alta imunidade ao ruído
Ligação Satélite
• Feixe de micro-ondas para receber e enviar
• Atrasos grandes
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Transmissão AnalógicaO Sistema Telefónico
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Modos de TransmissãoTransmissão Assíncrona
O emissor só envia informação quando precisa
Necessários mecanismos para o receptor estar de acordo com o que o emissor envia
– Start bit
– Stop bit
– Acordo velocidade, dimensão caracter e paridade
Transmissão Síncrona
O emissor está sempre a enviar informação para o receptor
– Velocidade estabelecida por hardware
– Dimensão de caracter e paridade negociadas
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ISDN / RDIS
ISDN / RDIS
Migração para uma rede totalmente digital até ao assinante, que integre todos os serviços
Redesenho do sistema telefónico para suportar serviços digitais integrados
Serviços telefónicos mais avançados (identificação originador, follow-me, bloqueio números, ...)
• ligação de computador
• fax Grupo IV
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ISDN/RDIS
Tecnologia de Comutação de Circuitos
Circuitos Virtuais Múltiplos, com uma só interface
– D - sinalização
– B - dados (cada canal B são 64kbps)
CCITT I.430, I.431, Q.921, Q.931
Sistema de numeração semelhante ao telefónico (E.164)
• Tipos de Acessos
– Básico: 2B+D
– Primário: 30B+D
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IEEE 802
Normas para Redes Locais
IEEE 802.3 - Ethernet (CSMA/CD)
IEEE 802.4 - Token Bus
IEEE 802.5 - Token Ring
também ISO 8802, ...
IEEE 802.1 - Introdução às normas seguintes e definição de primitivas
IEEE 802.2 - Define parte superior do Data Link Layer (LLC - Logical Link Control)
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IEEE 802.3
Cabo Grosso (Cabo Coaxial)• Topologia em Bus• Comprimento até 500 m por segmento• Ligações de estações em cada 2,5 m• Ligação com Transceiver ligado ao cabo e com Drop
Cable até ao computador• Cabo com Terminações de 50 ohm nos extremos
Cabo Fino (Cabo Coaxial)• Topologia em Bus• Comprimento até 180 m por segmento• Ligação directa ao computador• Cabo com Terminações de 50 ohm nos extremos
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IEEE 802.3Cabo UTP (Par entrançado)
• Topologia em estrela
• Baseada num repetidor de onde partem os cabos UTP, até 100 m de distância
• Fichas de ligação RJ-45
Alta fiabilidade relativamente ao cabo coaxial, pois interrupções ou curto circuitos num troço não perturbam os outros computadores
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IEEE 802.3
7 1 2 ou 6 2 ou 6 2 0 a 1500 0-46 4
Preambulo End. Destino End. Origem Dados PAD ChecksumComp.Dados
Del.
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Endereço Ethernet
• 6 bytes (80-34-F3-AA-01-0D, por exemplo)
Unívoco a nível mundial - está no hardware e é fornecido pelo fabricante
Endereços Especiais
• Bit mais significativo a 1 - acesso a um grupo de estações (multi-cast)
• Todos os bits a 1 - acesso a todas as estações (broadcast)
IEEE 802.3
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Problemas a Resolver• Erros no Canal de Comunicação
• Tempos de comunicação não nulos
• Meio de comunicação half-duplex ou full-duplex
• Limites na dimensão das mensagens
• Limites físicos nos computadores da rede (buffers)
• Diferente velocidade de processamento dos 2 computadores envolvidos
Objectivo
• Facultar uma interface bem definida ao nível de rede, isolando-o das particularidades do nível físico em uso
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Primitivas OSI
Pedido/Request
Indicação/Indication
Resposta/Response
Confirmação/Confirm
Utilizador do Serviço(Nível de rede)
Utilizador do Serviço(Nível de rede)
Fornecedor doServiço (nível dedados)
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Primitivas OSIPedido/Request
Usada para pedir um serviço ao nível abaixo
Indicação/IndicationUsada para notificar o nível acima que há um pedido de
comunicação
Resposta/ResponseUsada para informar o nível abaixo que a comunicação foi aceite
Confirmação/ConfirmNível abaixo informa que o nível homólogo (peer layer) aceitou o
pedido
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Controlo de Fluxo
O que acontece se o receptor não consegue aceitar os dados ao ritmo do sistema que envia?
Deve haver modo de o nível de rede ser avisado que deve parar de enviar dados (temporáriamente)
• Notificação explícita
• Notificação implícita
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Como vimos há que tomar em consideração, entre outros problemas:
• Erros no Canal de Comunicação
• Tempos de comunicação não nulos
• Meio de comunicação half-duplex ou full-duplex
• Limites na dimensão das mensagens
– Um tipo de erro muito comum resulta do ruído impulsivo
• Longas sequências de bits totalmente erradas
Taxa de erro de uma linha pode ser medida através da taxa de erro
Exº 10-3 10-5 10-9
Detecção e Correcção de Erros
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Técnicas de Tratamento de ErrosRecuperação de Erros
Transmitir, juntamente com a informação útil, informação redundante que permita o receptor recuperar os erros que eventualmente existam
• Técnica boa para erros simples (um só bit errado)
• Percentagem de informação redundante é elevada
Detecção de Erros
Transmitir, juntamente com a informação útil, informação redundante que permita o receptor saber se o que recebeu está certo ou errado.
• Bit de paridade
• CRC - Cyclic Redundancy Check
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CRC - Cyclic Redundancy Check
Código polinomial
Tratar a sequência de bits a transmitir como a sequência de coeficientes de um polinómio
Técnica
Adicionar à sequência dos K bits a transmitir uma sequência de M bits calculados segundo um determinado polinómio
O receptor usa o mesmo polinómio sobre os K bits da sequência recebida e compara o resultado com os M bits recebidos
CRC-CCITT
x^16 + x^12 + x^5 + 1
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Protocolos do Nível de Dados
O nível de dados aceita um pacote do nível de rede
• Junta-lhe um cabeçalho (header)
• Junta-lhe um terminador (trailer)
• Junta-lhe um CRC e envia-o para o nível físico.
Exº
ToData (BitSequence)
ToPhysical (BitSequence)
FromPhysical (BitSequence)
FromData (BitSequence)
Realização: software, hardware, firmware
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Protocolos do Nível de Dados
Protocolo (Stop and Wait)
Emissor envia pacote
Fica à espera de sinalização de pacote bem recebido
Se não receber sinalização de sucesso retransmite ao fim de um tempo (timeout)
Se recebeu confirmação envia novo pacote
Resolve problema de pacotes destruídos parcial ou totalmente por erros
Funciona em canal half-duplex
E se o pacote original chegou bem, mas a confirmção se perdeu?
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E se o tempo de propagação entre emissor e receptor é longo?
• Uso pouco eficiente do meio de transmissão !
Exº Duração envio pacote: 10ms
Tempo de propagação no canal: 500ms
Janela Deslizante
Cada pacote enviado vai numerado (entre 0 e um máximo: 2^n-1)
Em cada instante o emissor mantem uma lista dos números de pacotes, consecutivos, que pode enviar
Receptor confirma o número dos pacotes recebidos com sucesso
Protocolos do Nível de Dados
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Protocolos do Nível de Dados
Envio de pacotes numerados desde que o número do pacote esteja dentro da janela disponível (pipelining)
Receptor assinalada número dos pacotes recebidos correctamente
E se há erro ?
• Voltar atrás n pacotes (Go back n)
• Repetição selectiva
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SDLC (IBM)
ADCCP (ANSI)
HDLC (ISO)
LAP (CCITT - Link Access Procedure)
LAPB
Alguns pontos comuns
• Bit oriented
• Usam bit-stuffing
HDLC - High-level Data Link Control
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HDLC
Endereço - Usado em ligações multi-ponto
Controlo - números de sequência, confirmações, ...
Dados - pode levar qualquer sequência arbitrária de dados (se for muito grande o CRC perde eficiência, i.e., a capacidade de detecção de erros do CRC diminui)
CRC - possibilita ao receptor a validação do pacote recebido
Trama (Frame) - Pacote (packet) embebido em informação de controlo
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HDLCTipos de tramas HDLC (veiculadas no campo de
controlo)
• Informação
• Trama normal de dados
• Supervisão
– Transmissão de informação sobre o estado da transmissão
• Não numerada
– Usada para efeitos de comunicação de informação de controlo
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HDLCTrama de informação
• Número de sequência da trama
• Número da última trama não recebida (próximo)
• P/F (Poll / Final ) é usado para solicitar uma trama ao receptor. As tramas enviadas pelo receptor tem o bit P/F a P excepto a última que o tem a F
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HDLCTrama de supervisão
Tipo 0 - RECEIVE READY
Usado para indicar a nova trama esperada
Tipo 1 - REJECT
Indica que um erro foi detectado. Próximo indica a primeira trama da sequênica não correcta
Tipo 2 - RECEIVE NOT READY
Assinala recepção correcta da trama do campo próximo, mas solicita ao emissor para parar
Tipo 3 - SELECTIVE REJECT
Pede a transmissão só da trama assinalada
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HDLCTrama não numerada
Semântica das mensagens depende das várias variantes do nível de dados (HDLC, LAP, ...)
DISC - disconnect, quando um sistema pretende informar o interlocutor que tem de parar a comunicação de imediato
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O Nível de Rede
Resolve o problema do envio de pacotes de uma origem a um destinoPode envolver a passagem por diversos nós intermédios
É o nível mais baixo que envolve a ligação entre os sistemas terminais (os 2 computadores que constituem os sistemas comunicantes do modelo de referência OSI)
O nível de dados só tratava de enviar tramas ao longo de um fio.
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O Nível de Rede
Serviços facultados ao Nível de Transporte
• Fornecer serviços independentes da(s) tecnologia(s) subjacentes
• Isolar o nível de transporte do número, tipo e topologia das redes existentes
• Fornecer um sistema de endereços uniforme através da rede
O Nível de Rede pode correr em equipamentos dedicados e o Nível de Transporte corre nos computadores ligados à rede
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Nível de Rede
Orientado à Ligação (Connection Oriented - CO) Antes de trocar dados é estabelecida uma ligação, à qual é
atribuido um identificador especial que é usado daí para a frente
Se a rede não puder assegurar uma qualidade de serviço (QOS - Quality of Service) rejeita a ligação
A comunicação é bidireccional e os pacotes são entregues por ordem e sem erros
Após inicio da ligação os sistemas comunicantes podem negociar parâmetros da ligação
É efectuado controlo de fluxo para contemplar diferentes velocidades de acesso
Quando já não é necessário trocar dados a ligação é desfeita
Exº X.25
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Nível de RedeLivre de Ligação(Connection Less - CL)
O originador limita-se a enviar dados para o destinatário
O nível de rede tenta fazer chegar os pacotes ao destinatário
Os pacotes podem ser perdidos
Os pacotes podem chegar fora de ordem
Os pacotes podem chegar duplicados
A rede reage a pacotes enviados a ritmo demasiado elevado, normalmente destruindo os pacotes que não consegue entregar
Exº IP
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Endereços
Meio de identificar a fonte e o destino de um processo de comunicação
Endereço NSAP constituido por:
• AFI - Autority and Format Indicator
• IDI - Initial Domain Identifier
• DSP - Domain Specific Part
• IDP - Initial Domain Part
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O Nível de Rede
Internamente o nível de rede está organizado como um conjunto de nós de comutação (ou nós intermediários) interligados entre si
A transferência de pacotes da entrada para a saída pode ser:
• Fixa (circuito virtual) - os pacotes seguem sempre o mesmo percurso entre os 2 sistemas comunicantes
• Adaptável (datagramas) - cada pacote segue um percurso que depende da situação da rede no momento
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Encaminhamento - (routing)
Escolha do percurso que um pacote deve seguir da origem
ao destino
Algoritmo de encaminhamento - parte da rede que estabelece o percurso dos pacotes
Circuitos Virtuais - algoritmo de encaminhamento é calculado no instante em que a ligação é estabelecida
Datagramas - o algoritmo de encaminhamento é calculado para cada pacote
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Congestão da Rede
Fenómeno que se verifica numa rede quando nesta são introduzidos pacotes a um ritmo superior à sua capacidade de transmissão
Idealmente a número de pacotes transmitidos pela rede deveria proporcionalmente ao número de pacotes que lhe são entregues, até se atingir a capacidade máxima da rede
Na prática verifica-se muitas vezes o seguinte fenómeno (congestão)
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X.25Nível de Rede em Redes
Públicas
Normas de 1976, 1980, 1984, 1988
Exº X.25/1984
DTE - Data Terminal Equipment
DCE - Data Circuit Equipment
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X.25
Nível 3 do X.25 faz a gestão das ligações entre dois DTEs
Tipos de ligações• Circuitos Virtuais• Circuitos Virtuais Permanentes
Uma ligação inicia-se com um pedido de estabelecimento de um circuito virtual
À ligação é atribuido um número (pequeno inteiro) que identifica o circuito virtual
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X.25Endereçamento
Endereços X.121
• Código de País (DNIC)
• Endereço de Rede
• Sub-endereço
Exº 0268004010314
Seminário IT1-Março-1999
© Pedro Veiga - FC/UL
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Ligação de Terminais assíncronos a sistemas
remotos acessíveis por X.25
Normas:
X.3, X.28 e
X.29 (XXX - triple X)
Modo PAD
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Serviços FornecidosO Nível de Transporte fornece serviços ao Nível de Sessão
O Nível de Transporte usa os serviços que lhe são fornecidos pelo Nível de Rede
Os serviços são oferecidos a entidades residentes nos computadores que comunicam (aos processos que comunicam, um em cada computador)
Há dois tipos de serviços de transporte:
Connection-oriented
Connection-less
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O Nível de Transporte
Nível de protocolos fundamental na arquitectura de rede
Promove um mecanismo de comunicação fiável entre os 2 sistemas que comunicam, de um modo independente das redes físicas em uso.
Este nível é usado em muitos casos em que é necessário o transporte de sequências de bits entre sistemas, mas não é preciso tudo o resto que lhe está sobreposto (exº pipes entre 2 sistemas UNIX ligados em rede)
A ARPANET assenta as aplicações directamente no seu nível de transporte
Tecnologias de rede (níveis 1 a 3) é de esperar que variem muito com a evolução tecnológica. O nível de transporte é (+ ou -) estável.
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Serviços FornecidosO Nível de Transporte fornece serviços ao Nível de Sessão
O Nível de Transporte usa os serviços que lhe são fornecidos pelo Nível de Rede
Os serviços são oferecidos a entidades residentes nos computadores que comunicam (os processos que comunicam, um em cada computador)
Há dois tipos de serviços de transporte:
Connection-oriented
Connection-less
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Qualidade de ServiçoQOS - Quality of Service
Se o serviço de rede fornece um serviço fiável o nível de transporte precisa de fazer pouco
Se o serviço de rede é pouco robusto o serviço de transporte precisa suprir este problema
Para medir o desempenho do nível de transporte define-se um
conjunto de objectivos que o permitem medir
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Parâmetros
de Qualidade de ServiçoTempo de Estabelecimento de Ligação
Probabilidade de Falha de Estabelecimento de ligação
Throughtput
Atraso de Trânsito
Taxa de Erro Residual
Probabilidade de Falha de Transferência
Atraso de Libertação de Ligação
Probabilidade de Falha de Libertação de Ligação
Protecção
Prioridade
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Protocolos de TransporteSemelhante aos protocolos do nível de rede mas:
No nível de rede há uma ligação ponto-a-ponto por baixo
No nível de transporte há uma rede inteira por baixo
O nível de rede tem capacidade de armazenar pacotes e entregá-los com atrasos, por vezes significativos
Tipos de Redes
A - Sem erros e sem RESETs
B - Sem erros mas com RESETs
C - Com erros, pacotes perdidos e/ou duplicados e com RESETs
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Classes deProtocolos de
Transporte