Chapter 1
Introduction
A note on the use of these PowerPoint slides:
We’re making these slides freely available to all (faculty, students,
readers). They’re in PowerPoint form so you see the animations; and
can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content
to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part.
In return for use, we only ask the following:
▪
▪
If you use these slides (e.g., in a class) that you mention their
source (after all, we’d like people to use our book!)
If you post any slides on a www site, that you note that they are
adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our
copyright of this material.
For a revision history, see the slide note for this page.
Thanks and enjoy! JFK/KWR
All material copyright 1996-2020
J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved
Computer Networking: A
Top-Down Approach
8th edition
Jim Kurose, Keith Ross
Pearson, 2020
Introduction: 1-1
Capítulo 1: introdução
Objetivo do Capítulo:
Overview/roadmap:
▪ Obter o “sentimento,” “visão
geral,” introdução à
terminologia
▪ O que é a Internet? O que é um
protocolo?
• mais profundidade e detalhes
serão abordados mais tarde no
curso
▪ Borda da rede: hosts, rede de acesso,
meio físico
▪ Núcleo da rede: comutação de
pacotes/circuito, estrutura da
internet
▪ Camadas de protocolo e seus
modelos de serviço
▪ História
Introduction: 1-2
A Internet: uma visão dos componentes essenciais
Bilhões de dispositivos de
computação conectados:
mobile network
national or global ISP
▪ hosts = sistemas finais
▪ Executando aplicativos de rede
na "borda" da Internet
Comutadores de pacotes:
encaminham pacotes
(pedaços de dados)
▪ roteadores, switches
local or
regional ISP
Internet
home network
Links de Comunicação
▪ fibra, cobre, rádio, satélite
Redes
▪ Coleção de dispositivos,
roteadores, links: gerenciados por
uma organização
content
provider
network
datacenter
network
enterprise
network
Introduction: 1-3
Dispositivos divertidos conectados à Internet
bikes
Pacemaker & Monitor
Amazon Echo
Quadro de fotos
Geladeira
Garfo
Robô aspirador
cars
Dispositivos de
realidade
aumentada
Câmera de
Segurança
scooters
Colchão
Vídeo Games
Telefone VoIP
Outros?
Smartwatches
Introduction: 1-4
A Internet: uma visão dos componentes essenciais
rede móvel
▪
Internet: “rede de redes”
4G
ISP nacional ou global
• ISPs interconectados
▪
Protocolos estão em toda parte
controlar o envio e recebimento de
mensagens
• e.g., HTTP (Web), streaming de vídeo,
Skype, TCP, IP, WiFi, 4G, Ethernet
Streaming de
vídeo
IP
Skype
•
▪
Padrões da Internet
• RFC: Request for Comments
• IETF: Internet Engineering Task
Force
ISP local ou
regional
Rede doméstica
Rede de
provedor de
conteúdo
HTTP
Rede datacenter
Ethernet
TCP
Rede corporativa
WiFi
Introduction: 1-5
A Internet: uma visão de “serviços”
▪
Infraestrutura que provê serviços
as aplicações:
•
Web, streaming de vídeo,
teleconferência multimídia, e-mail,
jogos, e-commerce, mídia social,
eletrodomésticos interconectados …
• Provê interface de programação
para aplicações distribuídas:
• “hooks” que permite que aplicativos
de envio e recebimento se
conectem, usando o serviço de
transporte da Internet
• provê opções de serviço, análogo ao
serviço postal
mobile network
national or global ISP
Streaming
video
Skype
local or
regional ISP
home network
HTTP
content
provider
network
datacenter
network
enterprise
network
Introduction: 1-6
O que é um protocolo?
Protocolos humanos:
▪
▪
▪
“Que horas são?”
“Eu tenho uma
pergunta”
Apresentações
Regras para:
… envio de mensagens
específicas
… tomada de ações
específicas quando a
mensagem é recebida, ou
outros eventos
Protocolos de Redes:
▪
▪
Computadores (dispositivos) em vez de
humanos.
Toda atividade de comunicação na
Internet é governada por protocolos.
Protocolos definem o formato, a
ordem das mensagens enviadas e
recebidas entre entidades da rede,
e as ações tomadas na transmissão
e recepção das mensagens.
Introduction: 1-7
O que é um protocolo?
Um protocolo humano e um protocolo de rede de computadores:
Oi
Solicitação de
conexão TCP
Oi
Resposta de
conexão TCP
Que horas
são?
GET http://eu.amo.redes.edu/cap_1
2:00
<file>
tempo
Q: Outros protocolos humanos?
Introduction: 1-8
Capítulo 1: roadmap
▪ O que é a Internet?
▪ O que é um protocolo?
▪ Borda da Rede: hosts, rede de
acesso, meio físico
▪ Núcleo da rede: comutação de
pacotes/circuito, estrutura da
internet
▪ Camadas de protocolo e seus
modelos de serviço
▪ História
Introduction: 1-9
Um olhar mais atento sobre a estrutura
da Internet
Rede móvel
Borda da rede:
ISP nacional ou global
▪ hosts: clientes e servidores
▪ Servidores frequentemente em
data centers
ISP local ou
regional
rede doméstica
Rede de
provedores
de conteúdo
rede datacenter
Rede corporativa
Introduction: 1-10
Um olhar mais atento sobre a estrutura
da Internet
rede móvel
Borda da rede:
ISP nacional ou global
▪ hosts: clientes e servidores
▪ Servidores frequentemente em
data centers
Rede de acesso, meio físico:
ISP local ou
regional
home network
▪Links de comunicação com fio e
sem fio
Rede do
provedor de
conteúdos
rede datacenter
rede corporativa
Introduction: 1-11
Um olhar mais atento sobre a
estrutura da Internet
mobile network
Borda da rede:
national or global ISP
▪ hosts: clientes e servidores
▪ Servidores frequentemente em data
centers
local or
regional ISP
Rede de acesso, meio físico:
▪Links de comunicação com fio e sem
fio
home network
content
provider
network
datacenter
network
Núcleo da rede:
▪ Roteadores interconectados
▪ rede de redes
enterprise
network
Introduction: 1-12
Capítulo 1: roadmap
▪ O que é a Internet?
▪ O que é um protocolo?
▪ Borda da Rede: hosts, rede de
acesso, meio físico
▪ Núcleo da rede: comutação de
pacotes/circuito, estrutura da
internet
▪ Camadas de protocolo e seus
modelos de serviço
▪ História
Introduction: 1-13
Duas funções principais do núcleo de rede
Roteamento:
routing algorithm
Encaminhamento:
▪ também conhecido
como “switching”
(comutação)
▪ ação local: Mover
pacotes chegando
da entrada do
roteador para a
saída apropriada
do roteador.
local
local forwarding
forwarding table
table
header value output link
0100
0101
0111
1001
Endereço de destino no
cabeçalho do pacote
que está chegando
3
2
2
1
1
▪ ação global :
determinar os
caminhos de origemdestino seguidos
pelos pacotes.
▪ algoritmos de
roteamento
3 2
Introduction: 1-14
Comutação de circuito
Recursos ponta a ponta alocados,
reservados para uma “chamada” entre a
origem e o destino.
▪ No diagrama, cada link tem quatro circuitos.
• A chamada obtém o segundo circuito no
link superior e o primeiro circuito no link
direito.
▪ Recursos dedicados: sem compartilhamento
▪ Segmento de circuito fica ocioso se não for
utilizado pela chamada (sem
compartilhamento).
▪ Comumente usado em redes telefônicas tradicionais
Introduction: 1-15
Comutação de circuito: FDM and TDM
Time Division Multiplexing (TDM)
▪ Tempo dividido em slots
▪ Cada chamada é alocada em slot(s)
periódico(s), podendo transmitir na
taxa máxima da (mais ampla) banda
de frequência (apenas) durante seu(s)
slot(s) de tempo.
frequência
4 usuários
tempo
frequência
Frequency Division Multiplexing
(FDM)
▪ Frequências ópticas e
eletromagnéticas divididas em
(estreitas) faixas de frequência.
▪ Cada chamada é alocada em sua
própria banda, podendo transmitir na
taxa máxima dessa faixa estreita.
tempo
Introduction: 1-16
O núcleo da rede
▪ malha de roteadores interconectados
▪ comutação de pacotes: os hosts
dividem as mensagens da camada de
aplicação em pacotes
• A rede encaminha pacotes de um roteador
para o próximo, através de links no
caminho da origem ao destino
• Os recursos não são reservados (recursos
por demanda)
rede móvel
ISP Nacional ou global
ISP local ou
regional
Rede doméstica
Rede de
provedor de
conteúdo Rede datacenter
Rede corporativa
Introduction: 1-17
Comutação de pacotes: enfileiramento
C
A
D
B
E
fila de pacotes
aguardando transmissão
pelo link de saída
O enfileiramento ocorre quando o trabalho chega mais rápido do que pode ser atendido:
Introduction: 1-18
Comutação de pacotes: armazenar e encaminhar
origem
3 2 1
destino
▪ Armazenar e encaminhar (store and forward): o pacote inteiro deve chegar ao
roteador antes que possa ser transmitido no próximo link.
Introduction: 1-19
Comutação de pacotes versus comutação de circuito
exemplo:
▪ Link de 1 Gb/s
▪ Cada usuário:
• 100 Mb/s quando “ativo”
• ativo 10% do tempo
N
users
Link de 1 Gbps
Q: Quantos usuários podem utilizar esta rede sob comutação de circuitos e comutação de
pacotes?
▪ Comutação de circuito: 10
usuários
▪ Comutação de pacotes: Com 35
usuários, a probabilidade de mais
de 10 estarem ativos ao mesmo
tempo é inferior a 0,0004.
Introduction: 1-20
Comutação de pacotes x Comutação de Circuitos
A comutação de pacotes é uma "vitória fácil e certa"?
▪ Ótimo para dados "explosivos" - às vezes há dados para enviar, mas em outros
momentos não.
• Compartilhamento de recursos
• Mais simples, sem configuração de chamada
▪ Congestionamento excessivo é possível: atraso e perda de pacotes devido ao
estouro de buffer.
• São necessários protocolos para transferência de dados confiável e controle
de congestionamento.
▪ Q: Como fornecer comportamento semelhante a circuito com comutação de
pacotes?
• "É complicado." Vamos estudar várias técnicas que tentam tornar a
comutação de pacotes o mais "semelhante a circuito" possível.
Introduction: 1-21
Estrutura da internet: uma “rede de redes”
▪ Os hosts se conectam à Internet por
meio dos Provedores de Serviço de
Internet (ISPs).
▪ Os ISPs devem estar interconectados
• Para que quaisquer dois hosts (em
qualquer lugar!) possam enviar
pacotes um ao outro
▪ A rede resultante de redes é muito
complexa.
• A evolução é impulsionada pela
economia e políticas nacionais.
mobile network
national or global ISP
local or
regional ISP
home network
content
provider
network
datacenter
network
enterprise
network
Vamos adotar uma abordagem passo a passo para descrever a estrutura atual da Internet.
Estrutura da internet: uma “rede de redes”
Questão: Dado que existem milhões de ISPs de acesso, como conectá-los entre si?
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
Introduction: 1-23
Estrutura da internet: uma “rede de redes”
Questão: Dado que existem milhões de ISPs de acesso, como conectá-los entre si?
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
Conectar cada ISP diretamente
entre si não é escalável: O(N2)
conexões.
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
Introduction: 1-24
Estrutura da internet: uma “rede de redes”
… E redes regionais podem surgir para conectar redes de acesso
aos ISPs.
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
IXP
access
net
ISP A
access
net
ISP B
IXP
access
net
access
net
access
net
ISP C
access
net
access
net
regional ISP
access
net
access
net
access
net
access
net
Introduction: 1-25
Estrutura da internet: uma “rede de redes”
… E as redes de provedores de conteúdo (por exemplo, Google, Amazon, Netflix)
podem operar suas próprias redes para levar serviços e conteúdo mais próximos aos
usuários finais.
access
net
access
net
access
net
access
net
access
net
IXP
access
net
ISP A
access
net
Rede de provedor de conteúdo
access
net
ISP B
IXP
access
net
access
net
ISP C
access
net
access
net
regional ISP
access
net
access
net
access
net
access
net
Introduction: 1-26
Estrutura da internet: uma “rede de redes”
ISP de
nível 1
ISP de
nível 1
IXP
IXP
Regional ISP
access
ISP
access
ISP
Google
access
ISP
access
ISP
IXP
Regional ISP
access
ISP
access
ISP
access
ISP
access
ISP
No "centro": um pequeno número de grandes redes bem conectadas.
▪ ISPs comerciais “nível-1” (e.g., Level 3, Sprint, AT&T, NTT), com cobertura nacional e internacional
▪ Redes de provedores de conteúdo (e.g., Google, Facebook): redes privadas que conectam seus
data centers à Internet, muitas vezes contornando os ISPs de "tier-1" e regionais."
Introduction: 1-27
Capítulo 1: roadmap
▪ O que é a Internet?
▪ O que é um protocolo?
▪ Borda da Rede: hosts, rede de
acesso, meio físico
▪ Núcleo da rede: comutação de
pacotes/circuito, estrutura da
internet
▪ Camadas de protocolo e seus
modelos de serviço
▪ História
Introduction: 1-28
Camadas de protocolos e modelos de referência
Redes são complexas,
com muitas “peças”:
▪ hosts
▪ roteadores
▪ links
▪ aplicações
▪ protocolos
▪ hardware, software
Questão: Existe alguma
esperança de organizar a
estrutura da rede?
▪E/ou nossa discussão
sobre redes?
Introduction: 1-29
Exemplo: organização de viagens aéreas
Transferência ponta a ponta de pessoa mais bagagem.
passagem (compra)
passagem (reclamação)
bagagem (check-in)
baggage (retirada)
portões (carga)
portões (retirada)
pista de decolagem
roteamento do avião
pista de pouso
roteamento do avião
roteamento de aeronaves
Como você definiria/discutiria o sistema de viagens aéreas?
▪ Uma série de passos, envolvendo muitos serviços
Introduction: 1-30
Exemplo: organização de viagens aéreas
passagem (compra)
serviço de passagem passagem (reclamação)
bagagem (check-in)
serviço de bagagem
portões (carga)
pista de decolagem
serviço de portão
serviço de pista
Roteamento
de aeronave
de roteamento
roteamento do avião serviço
bagagem (retirada)
portões (retirada)
pista de pouso
roteamento do avião
camadas: cada camada implementa um serviço
▪ Por meio de suas próprias ações internas de camada
▪ Contando com os serviços fornecidos pela camada
abaixo
Introduction: 1-31
Por que camadas?
Abordagem para projetar/discutir sistemas complexos:
▪ Estrutura explícita permite a
identificação e relação das partes do
sistema
• Modelo de referência em camadas para discussão
▪ A modularização facilita a manutenção
e atualização do sistema.
• mudança na implementação de serviço da camada:
transparente para o restante do sistema.
• exemplo: mudança no procedimento do
portão não afeta o restante do sistema.
Introduction: 1-32
Modelos de Referência
Modelo OSI da ISO
▪ ISO (International Standards
Organization)
▪ OSI (Open System
Interconection)
▪ 7 camadas
Modelo TCP/IP
▪ TCP (Transport Control
Protocol)
▪ IP (Internet Protocol)
▪ 4 camadas
Introduction: 1-33
Modelos de Referência OSI
▪ A ISO reconheceu a necessidade das redes trabalharem juntas e se
comunicarem
▪ Por isso, a ISO lança em 1984, o modelo de referência OSI
• Open Systems Interconnection
▪ Embora o Modelo OSI tenha sido uma conquista significativa em termos
de padronização e tenha influenciado o desenvolvimento de redes de
computadores, é importante mencionar que ele não se tornou
amplamente adotado na prática em sua forma original
Introduction: 1-34
Modelos de Referência OSI - Princípios
▪ Um nível de abstração por camada
aplicação
▪ Camadas com funções bem
definidas
▪ Em cada camada devem ser usados
protocolos padronizados
internacionalmente
▪ Número de camadas nem grande,
nem pequeno
apresentação
sessão
transporte
rede
enlace
física
As sete camadas do modelo de
referência OSI/ISO
Introduction: 1-35
Modelo de Referência OSI
Camada Física
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
▪ Trata das características
• mecânicas, elétricas, funcionais e de
procedimentos para conexão física entre
entidades da camada de enlace
• Codificação, taxa de transmissão, modo
de transmissão, etc
▪ Deve garantir que o bit enviado pelo
transmissor seja entendido
corretamente pelo receptor
• Não se preocupa com o significado dos
bits
Modelo de Referência OSI
Camada de Enlace
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
▪ Trata o fluxo de dados no enlace
entre transmissor e receptor:
• Controle de fluxo
• Detecção e correção de erros
• Acesso ao meio compartilhado
▪ Não permite ligação entre redes
distintas
Modelo de Referência OSI
Camada de Rede
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
▪ Controla as operações na sub-rede:
• Roteamento: estático ou dinâmico
• Apresenta problemas em situações
congestionadas
• Interconexão de redes
▪ Não garante que o pacote chegue ao
destino
Modelo de Referência OSI
Camada de Transporte
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
▪ Divide as mensagens em pacotes
(segmentos)
▪ É a primeira camada fim-a-fim
▪ Deve garantir:
•
•
•
•
•
Comunicação fim-a-fim confiável
Multiplexação de conexões
Controle de fluxo entre hosts
Controle de congestionamento
Controle de erros
Modelo de Referência OSI
Camada de Sessão
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
▪ Permite que aplicações em hosts
diferentes partilhem uma sessão
▪ Provê:
• Controle de diálogo
• Controle de token
• Sincronização
Modelo de Referência OSI
Camada de Apresentação
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
▪ Traduz dados dos formatos
requeridos pela rede para os
formatos dos hosts
•
•
•
•
Tradução dos dados
Compressão de textos
Criptografia
Conversão de padrões
Modelo de Referência OSI
Camada de Aplicação
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Física
▪ Provê serviços que suportam
diretamente as aplicações do
usuário, como:
• Correio eletrônico
• Transferência de arquivos
• Acesso a banco de dados
▪ Não define as aplicações em si!
Pilha de protocolos de Internet em camadas.
(Modelo TCP/IP + camada física)
▪ aplicação: aplicações de rede suportadas
• HTTP, IMAP, SMTP, DNS
▪ transporte: transferência de dados entre
processos
• TCP, UDP
▪ rede: roteamento de datagramas da origem ao
destino
• IP, protocolos de roteamento
▪ enlace: transferência de dados entre
elementos de redes vizinhos
• Ethernet, 802.11 (WiFi),…
aplicação
application
transport
transporte
rede
network
enlace
link
physical
físico
▪ físico: bits “no fio”
Introduction: 1-44
Serviços, Camadas e Encapsulamento
M
aplicação
transporte
rede
enlace
físico
origem
A aplicação troca mensagens para implementar algum serviço
de aplicação usando os serviços da camada de transporte.
Ht
M
O protocolo da camada de transporte transfere M (por exemplo,
de forma confiável) de um processo para outro, utilizando os
serviços da camada de rede.
▪ O protocolo da camada de transporte
encapsula a mensagem da camada de
aplicação, M, com cabeçalho da camada de
transporte, Ht ,para criar um segmento da
camada de transporte
• Ht é usado pelo protocolo da camada
de transporte para implementar seu
serviço.
aplicação
transporte
rede
enlace
físico
destino
Introduction: 1-45
Serviços, Camadas e Encapsulamento
M
aplicação
aplicação
transporte
rede
enlace
físico
origem
Ht
M
O protocolo da camada de transporte transfere M (por
exemplo, de forma confiável) de um processo para outro,
utilizando os serviços da camada de rede.
Hr Ht
M
O protocolo da camada de rede transfere o segmento da
camada de transporte [Ht | M] de um host para outro,
utilizando os serviços da camada de enlace
▪ O protocolo da camada de rede encapsula
o segmento da camada de transporte [Ht |
M] com o cabeçalho da camada de rede, Hr,
para criar um datagrama da camada de
rede
• Hr é usado pelo protocolo da camada de
rede para implementar seu serviço.
transporte
rede
enlace
físico
destino
Introduction: 1-46
Serviços, Camadas e Encapsulamento
M
aplicação
aplicação
transporte
rede
enlace
físico
origem
Ht
M
transporte
Hr Ht
M
rede
He Hr Ht
M
O protocolo da camada de rede transfere o segmento da camada de
transporte [Ht | M] de um host para outro, utilizando os serviços da
camada de enlace
O protocolo da camada de enlace transfere o datagrama
[Hr| [Ht |M] de um host para outro host vizinho, utilizando
os serviços da camada física.
▪ O protocolo da camada de enlace
encapsula o datagrama de rede [Hr| [Ht |M],
com o cabeçalho da camada de enlace, He ,
para criar um quadro da camada de
enlace.
enlace
física
destino
Introduction: 1-47
Serviços, Camadas e Encapsulamento
M
M
aplicação
Ht
M
transporte
aplicação
mensagem
Ht
transporte
M
segmento
rede
Hr Ht
M
Hr Ht
M
rede
He Hr Ht
M
He Hr Ht
M
enlace
datagrama
enlace
quadro
físico
origem
físico
destino
Introduction: 1-48
Encapsulamento:
uma visão fim a fim
origem
mensagem
segmento
M
Ht
M
datagrama H
Hnr Ht
M
quadro He Hr Ht
M
aplicação
transporte
rede
enlace
físico
enlace
físico
switch
destino
M
Ht
M
Hr Ht
M
He Hr Ht
M
aplicação
transporte
rede
enlace
físico
Hr Ht
M
He Hr Ht
M
rede
enlace
físico
Hr Ht
M
roteador
Introduction: 1-49