REDES DE COMPUTADORES REDES DE COMPUTADORES I

1. REDES DE COMPUTADORESREDES DE COMPUTADORES I Introdução Professor: M.Sc. Carlos Oberdan Rolim

2. Introdução • Século 18: grandes sistemas mecânicos acompanhando a revolução industrial • Século 19: a era da máquina à vapor; • Século 20: coleta, processamento e distribuição da informação: • Redes telefônicas de alcance mundial; • Invenção do rádio e da televisão; • Nascimento e crescimento sem precedentes da indústria dos computadores; • Lançamento de satélites de comunicação.

3. Introdução • Nos primeiros 20 anos da existência da indústria dos computadores, os sistemas computacionais: • Eram altamente centralizados (Centro de Processamento de Dados) - CPD; • Custavam pequenas (às vezes grandes) fortunas; • Realizavam processamento de dados off-line.

4. Introdução • Nos últimos anos  união de computadores e comunicações, mudou profundamente a organização dos sistemas computacionais: • O CPD antigo, cedeu lugar à um novo modelo, com os computadores separados fisicamente, mas interconectados através de sistemas de comunicação • Esses sistemas são chamados Redes de Computadores.

5. Comunicação de dados • Comunicação de dados começou com a invenção do telégrafo por Samuel F. Morse em 1838. • 40 milhas de linha para telégrafo em 1844 • realizou-se a transmissão de 15bits/s em 1860 • Dados de radar, codificados em binário, foram transmitidos via facilidades de telégrafo para computadores na década de 1940

6. Comunicação de dados • Final de 1950  Explosão de uso de computadores remotos • Primeiros terminais interativos (1960) • Sistemas Time Sharing (tempo compartilhado) • Computadores para “batch processing”

7. Comunicação de dados • Entre 1969 e 1970  projeto ARPANET da ARPA (Advanced Research Projects Agency) • Primeira rede de grande porte • Quatro universidades americanas • 1972  primeira demonstração pública • 1973  primeira conexão internacional (Londres)

8. Comunicação de dados • 1979  ARPA cria o ICCB (Internet Control and Configuration Board) que reunia pesquisadores envolvidos no desenvolvimento do TCP/IP • 1980  ARPA adota o TCP/IP e passa a ser o “backbone” da Internet • DARPA incentivou integração de uma implementação de protocolos baixo custo ao UNIX disponível na University of California: Berkeley Software Distribution, também chamado Berkeley UNIX ou BSD UNIX. • Conceito de socket  abstração de software

9. Comunicação de dados • 1986  NSF (National Science Foundation) financiou a conexão de várias rede à Internet • 1985  inviabilidade de gerenciamento dos nomes do computadores conectados na Internet • Desenvolvimento do DNS • 1986  20.000 computadores ligados a Internet; • 1987  taxa de crescimento de 15% ao mês; • 1990  200.000 computadores; • 1994  3.000.000 de computadores conectados à Internet em 61 países.

10. Comunicação de dados • 1988 no Brasil surgem redes ligando universidades e centros de pesquisa do Rio de Janeiro, São Paulo e Porto Alegre a instituições nos Estados Unidos • 1988  AlterNex:o primeiro serviço brasileiro de Internet não-acadêmica e não-governamental • Aberto ao público em 1992 • 1995  CGI.BR e liberação para uso comercial

11. Uso das redes nas organizações • Compartilhamento de recurso, programas, equipamentos e dados disponíveis para todos na rede, independente da localização física de recursos e usuários; • Alta disponibilidade de recursos, arquivos importantes e/ou muito usados, podem ser replicados em dois ou mais computadores; • Economia de dinheiro, dado que computadores de menor porte apresentam uma relação custo/benefício melhor que computadores de grande porte;

12. Uso das redes nas organizações • Escalabilidade, pode-se aumentar a performance do sistema gradualmente, de acordo com o crescimento da demanda, acrescentando novos computadores (mais poderosos) à rede; • Comunicação, ou a capacidade de permitir que pessoas separadas fisicamente possam compartilhar informações de modo rápido e fácil (escrever um livro conjuntamente, por exemplo) - esse, talvez, seja o fruto mais importante da tecnologia de redes de computadores

13. Redes para pessoas • Acesso à informação remota, nas mais diversas formas (bancos, lojas virtuais, jornais, sistemas de informação, etc.) • Comunicação pessoa-a-pessoa, na forma de correio eletrônico, reunião virtual (videoconferência), redes sociais, etc. • Entretenimento interativo, na forma de jogos via rede, vídeo/áudio sob demanda, etc. Todas as considerações já feitas revelam um mundo virtual ideal, cheio de recursos e possibilidades.  O mundo real força-nos a encarar alguns problemas que estão em discussão no momento.

14. Considerações sociais • A introdução em larga escala das redes de computadores trouxe novos problemas sociais, éticos e políticos. • Algumas questões não respondidas totalmente ainda...

15. Considerações sociais • Até que ponto a liberdade de opinião e expressão pode (deve) ser respeitada? • Operadores/gerentes de redes de computadores são responsáveis pelas informações que nelas circulam? • Um proprietário de um provedor de acesso Internet deve responder judicialmente por informações consideradas ilegais armazenadas em seus computadores?

16. Considerações sociais • Empregadores devem (podem) ter o direito de censurar as mensagens enviadas/recebidas por seus empregados na rede da empresa? • O que dizer de estudantes nas escolas? • Dados pessoais / difamação em redes pessoais e serviços de streamming • Como tratar problemas de segurança nas redes? • Privacidade das informações

17. Inicio dos trabalhos....

18. Classificação de redes • Embora não haja uma classificação aceita genericamente, duas dimensões aparecem como as mais importantes: • Tecnologia de transmissão • Escala

19. Tecnologia de transmissão • Em relação à tecnologia de transmissão, de modo geral trabalha-se com dois tipos: • Redes de difusão (Broadcast networks); e • Redes ponto-a-ponto (Point-to-point Networks).

20. Redes de difusão • Redes de difusãoapresentam as seguintes características: • Canal único de comunicação, compartilhado por todas as máquinas da rede; • Tráfego de pequenas mensagens, chamadas às vezes de pacotes, enviadas por uma máquina e recebidas por todas; • Pacotes com campo de endereçoque especifica para que máquina o mesmo deve ser entregue (unicasting);

21. Redes de difusão • Um pacote recebido por uma máquina tem seu campo de endereço verificado: se pertence à máquina que o recebeu, ele é processado pela mesma; em caso contrário, é descartado; • Um pacote pode ser endereçado a todas as máquinas da rede ao mesmo tempo, usando um valor especial no campo de endereço; Esse modo de operação é chamado de modo de difusão (broadcasting). • Um pacote pode ser endereçado a algumas máquinas da rede ao mesmo tempo, usando outro valor especial no campo de endereço. Esse modo de operação é chamado de multi-difusão (multicasting).

22. Redes ponto-a-ponto • Redes ponto-a-pontoapresentam as seguintes características: • Canal exclusivo de comunicaçãopara interligação de quaisquer duas máquinas na rede; • Tráfego de pacotes enviados por uma máquina origem para uma única máquina destino; • Para ir de uma origem para um destino um pacote pode ter de passar por uma ou mais máquinas intermediárias; • Múltiplas rotas, de diferentes custos (tamanho, velocidade, atraso), podem existir entre uma origem e um destino, de modo que algoritmos de roteamento (escolha da melhor rota) desempenham um papel relevante nessas redes.

23. Escala • De modo geral (com a admissão de exceções): • redes pequenas, localizadas em uma mesma região geográfica, tendem a usar transmissão por difusão; • redes grandes e geograficamente espalhadas usam transmissão ponto-a-ponto.

24. Em relação à escala, uma classificação bastante adotada para as redes é dada a seguir. *Máquinas de fluxo de dados são computadores com alta capacidade de paralelismo que possuem muitas unidades funcionais capazes de operar simultaneamente em um mesmo programa. ** Multicomputadores são sistemas que podem se comunicar enviando/recebendo mensagens sobre barramentos muito curtos e rápidos

25. REDES LOCAIS DE COMPUTADORES (LOCAL AREA NETWORK – LAN) • Redes Locais de Computadores apresentam as seguintes características: • São redes privadas, localizadas em um único prédio ou campus de poucos quilômetros de tamanho; • São extensamente usadas para conectar computadores pessoais e estações de trabalho nas empresas para compartilhar recursos e trocar informações; • Se distinguem dos outros tipos de rede por três características: • Seu tamanho restrito; • Sua tecnologia de transmissão; e • Sua topologia.

26. O tamanho restrito permite: • Conhecer o pior tempo de transmissão com antecedência; • Com base nesse conhecimento, usar certos tipos de projeto que não seriam possíveis em caso contrário; • Com base nesse conhecimento, simplificar a gerência da rede.

27. A tecnologia de transmissãose caracteriza, normalmente, por: • Um canal de comunicação simples ao qual são conectadas todas as máquinas; • Velocidade de transmissão da ordem de 100, 1.000 Mbps (Gigabit Ethernet) ou 10.000 Mbps (10 GigE) com baixo atraso (dezenas de microsegundos) e poucos erros; • Avanços recentes permitem velocidades ainda maiores com baixo investimento.

28. As topologias mais utilizadas são: • Barramento, onde, em um dado instante, uma máquina tem e permissão de transmitir e todas as outras não podem transmitir • Com mecanismo de arbitragem usado para resolver conflitos quando duas ou mais máquinas quiserem transmitir ao mesmo tempo; • Esse mecanismo pode ser centralizado ou distribuído; IEEE 802.3, mais conhecido como Ethernet, é uma rede de difusão baseada em barramento bastante conhecida. • Anel, que apresenta um mecanismo de transmissão semelhante ao usado no barramento; • IEEE 802.5, mais conhecido como IBM token ring, é uma rede de difusão baseada em anel bastante conhecida.

29. Estrela interliga computadores através de switches ou qualquer outro concentrador/comutador. • É caracterizada por um elemento central que "gerencia" o fluxo de dados da rede, estando diretamente conectado (ponto-a-ponto) a cada nó, daí surgiu a designação "Estrela". • Hierarquica ou em árvore, possui uma série de barramentos interconectados. • Cada ramificação significa que o sinal deverá se propagar por dois caminhos diferentes. • Esta topologia é muito usada para supervisionar aplicações de tempo real, como algumas de automação industrial e automação bancária. • Quando uma operação exige acesso a informações que não estão disponíveis na agência, elas são buscadas no computador central. Se este não tiver acesso direto a estas informações, redicionará a busca para outro computador da rede que as detém.

30. MalhaTodos os nós estão atados a todos os outros nós, como se estivessem entrelaçados. • Vários caminhos possíveis por onde a informação pode fluir da origem até o destino • O tempo de espera é reduzido e eventuais problemas não interrompem o funcionamento da rede • Um problema encontrado é em relação às interfaces de rede, já que para cada segmento de rede seria necessário instalar, em uma mesma estação, um número equivalente de placas de rede • Uma vez que cada estação envia sinais para todas as outras com frequência, a largura da banda de rede não é bem aproveitada. • Redes Hibridas ou Mistas União de mais de um tipo

32. Redes de difusão podem ser divididas em estáticas e dinâmicas (dependendo de como o canal de transmissão é utilizado): • Estáticas: dividem o tempo disponível do canal em intervalos discretos e usam um algoritmo de distribuição circular: • permitindo que cada máquina transmita somente quando recebe um intervalo de tempo; • desperdiçam capacidade do canal quando uma máquina não tem nada para transmitir durante o intervalo de tempo que lhe foi atribuído; • Dinâmicas: um mecanismo de arbitragem (centralizado ou distribuído) recebe requisições de utilização do canal e as atende ou não de acordo com a ocupação do canal.

33. REDES METROPOLITANAS (METROPOLITAN AREA NETWORK – MAN) • Basicamente são uma versão maior das Redes Locais, usando tecnologias semelhantes; • Suportam, em geral, dados e voz (telefonia), podendo estar associadas à rede de televisão via cabo; • Redes Wireless se enquadram em redes MAN

34. MAN

35. REDES DE LONGA DISTÂNCIA (WIDE AREA NETWORK – WAN) • Espalham-se por uma área geográfica grande: p.ex. um país; • Máquinas são conectadas por uma subrede de comunicação, cujo trabalho é transportar mensagens de máquina a máquina, como um sistema telefônico; • Como separam os aspectos puros de comunicação (subrede) dos aspectos das aplicações (máquinas), seu projeto é mais simplificado.

36. WAN

37. Na maioria das WANs, a subrede consiste de dois componentes distintos: • Linhas de transmissão, também chamados de circuitos, canais ou troncos, que transportam bits entre elementos da rede; • Elementos de comutação, computadores especializados, usados para conectar duas ou mais linhas de transmissão: • escolhendo sempre o melhor caminho para os dados percorrerem para chegar ao seu destino; • São chamados de vários nomes: • Nós de comutação de pacotes; • Sistemas intermediários; • Comutadores de dados; • Roteadores (termo preferido).

38. Em uma Rede de Longa Distância, a subrede de transmissão pode ser organizada como: • ponto-a-ponto; e • ponto-a-multiponto.

39. Na forma ponto-a-ponto, a transmissão de dados entre duas máquinas que não compartilham um canal de comunicação se dá pela utilização de máquinas intermediárias: • em um princípio de organização de subrede chamado de ponto-a-ponto (point-to-point) ou de armazena-e-segue (store-and-forward) ou comutação de pacote (packet-swithing). • Na forma ponto-a-ponto uma consideração importante de projeto é a topologia de conexão de roteadores.

40. Na forma ponto-a-multiponto, um sistema de satélites ou de rádio é usado como difusor dos dados Exemplo de Rede ponto-a-multiponto

41. REDES SEM FIO • O crescimento do uso dos dispositivos vem proporcionando um interesse cada vez maior em redes sem fio (wireless networks). • Uma rede totalmente baseada em ondas eletromagnéticas

42. Problemas das redes sem fio: • Custo: ainda são mais caras que as redes convencionais; • Velocidade: tipicamente trabalham em velocidades inferiores a redes cabeadas; • Taxas de erro: freqüentemente maiores que nas redes convencionais, podendo ocorrer interferência entre computadores de diferentes redes. • Segurança: ?????; • Novo padrão se estabelecendo Ethernet 802.11 (a, b, ...., g), 802.16 (Wimax), 2G, 3G, 4G;...

43. INTER-REDES • Muitas redes de computadores existem no mundo, frequentemente compostas por diferentes hardwares e softwares: • A interconexão dessas muitas redes se dá por máquinas chamadas de gateways: • À coleção dessas redes interconectadas dá-se o nome de inter-rede ou internet. • Uma forma comum de inter-rede é: • um conjunto de redes locais (LANs) conectadas através de uma rede de longa distância (WAN) e, • uma rede local conectada à uma rede de longa distância forma uma inter-rede, embora não haja consenso na literatura e na indústria sobre esse ponto.

44. Cabe aqui diferenciar internet e Internet (com I maiúsculo): • A primeira, como dito anteriormente, define um conjunto de redes interconectadas. • A segunda, da nome à maior de todas as inter-redes em funcionamento no mundo atualmente.

45. SOFTWARE PARA REDES DE COMPUTADORES • As primeiras redes de computadores foram projetadas tendo: • Hardware como a preocupação principal; • Software como um coadjuvante; • Essa estratégia não funciona mais hoje em dia: • O software é considerado uma das partes mais importantes na concepção de novas tecnologias de redes de computadores;

46. Para reduzir a complexidade de projeto: • A maioria das redes são organizadas como uma série de camadas ou níveis, cada uma construída sobre a outra; • O número de camadas, o nome, o conteúdo e a função de cada camada varia de rede para rede, embora em todas as redes, o objetivo de cada camada seja oferecer para a camada superior certos serviços, liberando a camada superior de se preocupar com os detalhes de implementação desses serviços;

47. A camada N de uma máquina da rede desenvolve uma troca de dados com a camada N de outra máquina; • As regras e convenções que regem essa troca de dados são conhecidas como protocolos da camada N.

48. Basicamente, um protocolo é um acerto entre as partes que se comunicam sobre como a comunicação deve se desenvolver • Quem fala primeiro? • Como se identificar um para o outro? • Se um não entender uma dada mensagem, como proceder para pedir a repetição da mesma? • etc.

49. Um exemplo de uma rede em cinco níveis pode ser visto na figura abaixo. Camadas, protocolos e interfaces

50. Não há transferência de dados direta entre a camada 5 de uma máquina para a camada 5 de outra: • Cada camada passa dados para a camada imediatamente inferior, até a camada mais baixa ser atingida; • Junto da camada 1 está o meio físico de transmissão onde a comunicação realmente acontece; • Entre cada par de camadas adjacentes, existe uma interface que define que operações primitivas e que serviços a camada inferior oferece para a camada superior, e o que cada camada deve fazer para interagir com a outra.