Administração e Projeto de Redes

1. Administração e Projeto de Redes Material de estudo para Tecnologia em Processamento de Dados Volume 1 27/02/2006

2. Esclarecimentos • Esse material é de apoio para as aulas da disciplina e não substitui a leitura da bibliografia básica • Os professores da disciplina irão focar alguns dos tópicos da bibliografia assim como poderão adicionar alguns detalhes não presentes na bibliografia, com base em suas experiências profissionais • O conteúdo de slides com o título “Comentários adicionais” seguido de um texto, se refere a comentários adicionais ao slide cujo texto indica e tem por objetivo incluir alguma informação adicional aos conteúdo do slide correspondente.

3. Bibliografia básica • Soares: Redes de Computadores: Das LANs, MANs e WANs às Redes ATM, Ed. Campus, 2ª Edição, RJ, 1995 • Luiz Fernando Gomes Soares • Guido Lemos • Sérgio Colcher • Kurose: Redes de Computadores e a Internet: Uma nova abordagem, Ed. Pearson, 1ª Edição, SP, 2003 • James F. Kurose • Keith W. Ross (Nota: os códigos “Soares” e “Kurose” estarão sendo referenciados ao longo desse material)

4. Semestre 1 Tópico 1 Introdução do curso com apresentação do conteúdo programático e regras administrativas.

5. Semestre 1 Tópico 2 Soares: Cap.1 Kurose: Tópicos 1.1 e 1.2

6. Evolução dos sistemas de computação (1/3) • Década de 50: Processamento Batch • Mainframe processando em lotes (batch), informações originadas em cartão perfurado ou fitas magnéticas • Usuários só tinham acesso ao resultado do processamento ao final do mesmo, no escaninho de saída do CPD • O processamento ocorria em fila (FIFO - First In First Out) • Demanda de infra-estrutura complexa e cara (temperatura e umidade controlada, grande consumo de energia).

7. Evolução dos sistemas de computação (2/3) • Década de 60: Processamento Time-Sharing • Mainframe com processamento em tempo compartilhado (Time sharing) onde o processador aloca frações muito curtas de tempo para cada um dos processos ativos. Não existe fila de processamento • Terminais interativos remotos interligados ao Mainframe processando em tempo compartilhado com vários programas e usuários. Cada um tinha a percepção de que estava usando sozinho, pois não precisava esperar acabar um processamento para iniciar o próximo • Demanda de infra-estrutura complexa e cara (temperatura e umidade controlada, grande consumo de energia).

8. Década de 60: Time sharing • Terminais de baixo custo conectados no mesmo prédio onde estava o Mainframe.

9. Evolução dos sistemas de computação (3/3) • Década de 70: Processamento distribuído • Aparecimento dos Mini e Microcomputadores • Terminais interativos remotos interligados ao Mainframe processando em tempo compartilhado com vários programas e usuários. Cada um tinha a percepção de que estava usando sozinho, pois não precisava esperar acabar um processamento para iniciar o próximo • Demanda de infra-estrutura menos complexa e cara (controle de temperatura mais simples, sem controle de umidade e menor consumo de energia) • Compartilhamento de periféricos de alto custo entre os computadores (impressora, plotter, disco) através de meios caros e de curta distância.

10. Rede de Computadores - Definição • Sistema de comunicação interconectando computadores • Sistema de comunicação: • Meios de transmissão (enlaces físicos) • Regras para concretizar a comunicação (protocolos) • Redes locais (LAN – Local Area Network) • Redes metropolitanas (MAN – Metropolitan Area Network) • Redes de longa distância (WAN – Wide Area Network) • Parâmetros que permitem diferenciar as redes: • Tecnologias dos meios de comunicação • Cobertura geográfica • Velocidade de comunicação (taxa de transferência de dados) • Taxa de erro característica do meio de transmissão.

11. Comentários adicionais: Rede de Computadores - Definição • Inicialmente só existiam os conceitos LAN e WAN. • MAN surge com o aparecimento do padrão IEEE 802.6 (1981) padrão para transporte de dados em alta velocidade numa região metropolitana. • MAN tem características semelhantes as das LANs, mas cobrindo distâncias maiores.

12. Configurações LAN x MAN x WAN MAN LAN Barramento Estrela WAN Anel

13. Comentários adicionais: Configurações LAN x MAN x WAN • Na MAN existem 2 barramentos que saem do Head-End. Cada um atende uma direção da transmissão, um que o sinal sai e outro que o sinal chega.

14. Soluções Wireless x Cobertura Wireless LAN Wifi (Wireless Fidelity) (IEEE 802.11) Uso local (hot-spot) Bluetooth Curta distância Cobertura externa WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access (IEEE 802.16)

15. Soluções via serviço telefonia celular • Rede GPRS • Usa tecnologia GSM • Velocidade entre 9,6 Kbps e 115 Kbps • Rede WCDMA • Usa rede CDMA • Velocidade até 2Mbps.

16. O que é um protocolo ? Alô TCP pedido de conexão TCP resposta de conexão Alô Get http://gaia.cs.umass.edu/index.htm Que horas são? <arquivo> 2:00 tempo • Um protocolo humano e um protocolo de rede de computadores:

17. Protocolo - Definição • Conjunto de regras e convenções que permitem a troca confiável de informação entre dois ou mais dispositivos de comunicação de dados.

18. Funções do protocolo de Comun. Dados • Estabelecer as características da interface física e funcional dos sinais digitais: elétricas, mecânicas e funcionais • Estabelecer o código de representação da informação, formatação e velocidade • Estabelecer as regras de controle de endereçamento • Estabelecer os processos de recuperação de erros: perda de informação por erros, congestionamento, interrupção da comunicação • Estabelecer as regras de controle de fluxo e prioridades.

19. O que é a Internet? roteador estação servidor móvel ISP local ISP regional rede corporativa • milhões de elementos de computação interligados: hosts, sistemas finais • pc’s, estações de trabalho, servidores • telefones digitais, torradeiras de pão, etc. executando aplicações distribuídas • enlaces de comunicação • fibra, cobre, rádio, satelite • roteadores: enviam pacotes (blocos) de dados através da rede

20. Aplicações IP “quentes Moldura IP para retratos http://www.ceiva.com/ Torradeira e previsão do tempo pela Web http://dancing-man.com/robin/toasty/ O menor servidor Web do mundo http://www-ccs.cs.umass.edu/~shri/iPic.html

21. O que é a Internet? routeador estação servidor móvel ISP local ISP regional rede corporativa • protocolos: controlam o envio e a recepção de mensagens • e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP • Internet: “rede de redes” • fracamente hierárquica • Internet pública e Internets privadas (intranets) • Internet standards • RFC: Request for comments • IETF: Internet Engineering Task Force

22. Rede de Computadores – Parâmetros de Comparação (1/3) • Custo (proporcional ao desempenho: complexidade do protocolo e do meio de comunicação): considerar custo de investimento e custo de operação • Retardo de transferência: tempo decorrido do momento em que a informação está pronta para entrar no sistema de comunicação até que chega no seu destino. É a soma de: • Retardo de acesso: tempo decorrido do momento em que a mensagem está pronta para ser transmitida e o instante em que o meio de comunicação permite • Retardo de transmissão (latência): tempo de trânsito da mensagem através do meio de comunicação.

23. Comentários adicionais: Rede de Computadores – Parâmetros de Comparação (1/3) • Custo: • Definir custo de investimento, isso é, compra, imobilizado ou CAPEX – Capital Expenses, e custo de operação, isso é, despesa, aluguel, manutenção, serviço ou OPEX – Operational Expenses • Dar exemplos • Retardo de acesso: • Exemplificar retardo de acesso com o que ocorre em uma LAN usando tecnologia Ethernet: fenômeno da colisão (esse conceito será melhor explicado mais tarde) • Exemplificar retardo de transferência falando de ligação telefônica fixa e celular (constatar que ao falar pelo celular, demora uma fração de segundo para sua voz chegar ao destino: tempo de digitalização e reconstituição da voz no destino como retardo de acesso e tempo de transmissão como latência. Comunicação via Fibra óptica tem muito menor latência que a via satélite, via rede Frame Relay/ ATM/ X25 tem mais latência que ligação ponto-a-ponto.

24. Rede de Computadores – Parâmetros de Comparação (2/3) • Modularidade: capacidade da rede aceitar alteração de suas características (desempenho, funcionalidade, capacidade,...) sem precisar alterar o projeto inicial • Compatibilidade/ Interoperabilidade: capacidade da rede em se interligar com dispositivos de outros modelos ou fabricantes com a mesma funcionalidade ou os mesmos dispositivos de versões diferentes.

25. Comentários adicionais: Rede de Computadores – Parâmetros de Comparação (2/3) • Exemplificar: • Modularidade (roteador para uso doméstico e roteador de uso corporativo com módulos plug-ins) • Interoperabilidade (roteadores Cisco, 3Com, Juniper, Linksys,... São compatíveis entre si).

26. Rede de Computadores – Parâmetros de Comparação (3/3) • Confiabilidade: característica do dispositivo em não falhar. É medida em taxa de falhas (MTBF – Mean Time Between Failure). Exemplo: 1 falha a cada 50.000 horas • Mantenabilidade: característica da facilidade em sofrer manutenção. É medida em tempo de reparo (MTTR – Mean Time to Repair). Exemplo: 4 horas • Disponibilidade: característica do dispositivo em estar em funcionamento. Exemplo: 0,99992 ou 99,992% • Indisponibilidade: inverso da Disponibilidade = (1 – Disponibilidade). Exemplo: 0,00008 ou 42 minutos por ano • Disponibilidade = MTBF / (MTBF + MTTR) .

27. Comentários adicionais: Rede de Computadores – Parâmetros de Comparação (3/3) • Do exemplo da definição >> Disponibilidade = 50.000 / (50.000 + 4) = 0,99992 • Indisponibilidade = 0,00008 • 1 ano tem 365 dias x 24 horas x 60 minutos x Indisponibilidade = tempo anual de indisponibilidade = 42 minutos • Exercitar outros exemplos numéricos.

28. Cálculo da Disponibilidade de um sistema Associação série Dispo = 0,9 Dispo = 0,9 Dispo = 0,9 Dispo = D1 x D2 x ... Dispo = 0,9 x 0,9 = 0,81 Dispo = 0,9 Associação paralela Dispo = 1 – (I1 x I2 x ...) Dispo = 1- (0,1 x 0,1) = 0,99 . • Dados: • Disponibilidade dos componentes do sistema • Topologia do sistema • Exemplo com 2 componentes:

29. Comentários adicionais: Cálculo da Disponibilidade de um sistema • Associação série: • Disponibilidade = Produto das disponibilidades dos componentes série • Nesse caso, a disponibilidade do sistema diminui, pois o sistema só funciona se TODOS os componentes NÃO falharem. • Usar o valor das Disponibilidades • A fórmula vale para qualquer quantidade de componentes colocados em série. • Associação paralela: • Disponibilidade = 1 – Produto das indisponibilidades dos componentes em paralelo • Nesse caso, a disponibilidade aumenta, pois o sistema pára somente se TODOS os componentes falharem. • Usar o valor das Indisponibilidades • A fórmula da Indisponibilidade vale para qualquer quantidade de componentes em paralelo.

30. Exercício: Análise de Disponibilidade D=0,9 D=0,9 D=?? D=0,9 D=0,8 D=0,9 D=?? D=0,9 D=0,8 D=0,9 D=?? D=0,5 • Calcule a Disponibilidade para as seguintes topologias (valores didáticos): a) MTBF = 10.000 horas D=MTBF / (MTBF + MTTR) = ?? MTTR = 10 horas b) c) d)

31. Comentários adicionais: Exercício: Análise de Disponibilidade • a) D = 10000 / 10010 = 0,999 • b) D = 0,9 x 0,9 = 0,81 • c) D = 0,9 x 0,8 x 0,9 = 0,648 • d) Dica: calcular primeiro a disponibilidade equivalente dos links redundantes (paralelos) links paralelos equivalente > D = 1 – 0,2 x 0,5 = 0,9 disponibilidade dos 3 elementos > D = 0,9 x 0,9 x 0,9 = 0,729.

32. Semestre 1 Tópico 3 Soares: Cap.2 Kurose: Tópicos 1.3 e 1.4

33. Composição da rede • borda da rede: aplicações e hosts • núcleo da rede: • roteadores • rede de redes • redes de acesso, meios físicos:enlaces de comunicação

34. Topologias de rede Rede peer-to-peer Poucos usuários Compartilhamento de recursos Arquitetura Cliente-Servidor

35. Comentários adicionais: Topologias de rede • A rede peer-to-peer é mais simples e barata, mas muito mais limitada e de difícil administração. Muito usada em redes pequenas compartilhando recursos como impressoras, acesso Internet, Disco. • Na arquitetura cliente-servidor, parte do sistema está no servidor e parte no cliente e ambos interagem. Existe um conceito chamado de “3Tier”, onde existe um terceiro elemento intermediário (o terceiro parceiro) que interage com o cliente e o servidor, criando quase que um “isolamento” do sistema, também chamado de “Mediation”.

36. Topologias de rede • Rede “a”: uso de concentradores para reduzir o custo da comunicação. Maior vulnerabilidade da rede • Rede “b”: rede mista. Conceito Internet. Baixa vulnerabilidade. Maior custo.

37. Comentários adicionais: Topologias de rede • Comentar que a topologia “a” é utilizada pelas empresas que implementam suas redes de comunicação de dados privativa assim como ainda é a utilizada pelas provedoras de serviço de comunicação de dados (X25, Frame Relay e ATM) e também pelo sistema telefônico. • Comentar que a topologia “b” é a da Internet ou nas redes corporativas ou das provedoras de serviço utilizando protocolo IP.

38. Tipos de ligação Ponto-a-ponto Multiponto

39. Forma de uso do meio de comunicação Simplex Half-duplex ou Full-duplex

40. Topologia Estrela

41. Topologia em Anel

42. Rede totalmente ligada • Todos os nós têm ligação entre sí 2-a-2 • Quantidade de links é a COMBINAÇÃO 2-a-2 (“p”=2) dos “n” nós • C(n,p) = n! / (p! x (n-p)!) • Valor aproximado no caso 2-a-2 = n2/2 • No exemplo: C(5,2) = 5! / (2! X 3!) = 10 • É a solução mais segura, MAS... • Não é uma solução econômica.

43. As bordas da rede • sistemas finais (hosts): • executam programas de aplicação • localizam-se nas extremidades da rede • Exemplo: WWW, email • modelo cliente/servidor • o cliente toma a iniciativa enviando pedidos que são respondidos por servidores • Exemplo: WWW client (browser)/ server; email client/server • modelo peer-to-peer: • Prevê simetria de comunicação • Exemplo: teleconferência.

44. Meta: transferência de dados entre sistemas finais handshaking: estabelece as condições para o envio de dados antes de envia-los atualmente Alô: protocolo humano estados de “conexão” controlam a troca de mensagens entre dois hosts TCP - Transmission Control Protocol realiza o serviço orientado à conexão da Internet serviço TCP [RFC 793] transferência de dados confiável e seqüêncial, orientada a cadeia de bytes perdas: reconhecimentos e retransmissões controle de fluxo: evita que o transmissor afogue o receptor controle de congestão: transmissor reduz sua taxa quando a rede fica congestionada. Borda da rede: serviço orientado à conexão

45. Meta: transferência de dados entre sistemas finais o mesmo de antes! UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: Oferece o serviço sem conexão da Internet transferência de dados não confiável sem controle de fluxo sem controle de congestão App’s usando TCP: HTTP (WWW), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP (email) App’s usando UDP: streaming media, teleconferência, telefonia IP. Borda da rede: serviço sem conexão

46. O núcleo da rede • malha de roteadores interconectados • A questão fundamental: como os dados são transferidos através da rede? • comutação de circuitos: usa um canal dedicado para cada conexão. Ex: rede telefônica • comutação de pacotes: dados são enviados em “blocos” discretos, na base FIFO.

47. Núcleo da Rede: Comutação de Circuitos • Recursos fim-a-fim são reservados por “chamada” • taxa de transmissão, capacidade dos comutadores • recursos dedicados: não há compartilhamento • desempenho análogo aos circuitos físicos (QoS garantido) • exige estabelecimento de conexão • Exemplo semelhante: processo de ligação telefônica.

48. Comentários adicionais: Núcleo da Rede: Comutação de Circuitos • Recursos da rede (ex., capacidade de transmissão) dividida em “pedaços” • Pedaços alocados às chamadas • Pedaço do recurso disperdiçado se não for usado pelo dono da chamada (sem divisão) • Formas de divisão da capacidade de transmissão em “pedaços” • divisão em freqüência • divisão temporal.

49. cada fluxo de dados fim-a-fim é dividido em pacotes cada pacote usa toda a banda disponível ao ser transmitido recursos são usados na medida do necessário Não há alocação fixa de recursos contenção de recursos: a demanda agregada por recursos pode exceder a capacidade disponível congestão: filas de pacotes, aumento do tempo de envio, perda de pacotes store and forward: pacotes se movem de um roteador para o outro antes de serem retransmitidos transmite no enlace espera vez no enlace. Núcleo da rede: comutação de pacotes 10 Mbits/s Ethernet C A multiplexação estatística 1.5 Mbits/s B fila de pacotes esperando pelo enlace de saída 45 Mbits/s D E

50. Comentários adicionais: Núcleo da rede: comutação de pacotes • Comentar que na comutação de pacotes não existe alocação fixa de recursos • Comentar da necessidade de dimensionamento de buffers.