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Apostila: introdução as redes de computadores em pdf, Notas de estudo de Redes de Computadores

SISTEMA BASICO DE COMUNICAÇÃO,MULTIPLEXAÇÃO,TIPOS DE REDE,MODELO OSI/ISO ,MODELO TCP/IP

Tipologia: Notas de estudo

2010
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Compartilhado em 24/02/2010

marcia-leal-4
marcia-leal-4 🇧🇷

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Baixe Apostila: introdução as redes de computadores em pdf e outras Notas de estudo em PDF para Redes de Computadores, somente na Docsity! 1 1 – Introdução às Redes de Computadores 1.1 – Sistema Básico de Comunicação Os seres humanos perceberam, desde o início da humanidade, que a sua sobrevivência dependia da comunicação. Desde então os homens buscam aperfeiçoar os sistemas de comunicação. Exemplos dos sistemas de comunicação utilizados são: sinais de fumaça, telégrafo, telefone, redes de computadores. Todos estes sistemas possuem quatro elementos, no mínimo, que são comuns: • Transmissor, • Meio de transmissão, • Mensagem • Receptor A figura abaixo exibe as características básicas de um sistema básico de comunicação. Figura 1.1 - Sistema de Comunicação Básico Os especialistas em telecomunicações e de redes de computadores perceberam também que a informação que deve ser transmitida à distância não pode ser “jogada” no meio de transmissão sem uma adaptação. As adaptações do sinal dos computadores, que sabemos ser um sinal digital, ao meio de transmissão, podem ser feitas de duas maneiras: através da modulação ou através de codificação. Transmissor Receptor Código (Conjunto de Símbolos)/Protocolos Meio de Transmissão Mensagem / Informação 2 A modulação insere os sinais digitais oriundos do computador num sinal analógico (portadora) de forma que o sinal resultante (portadora modulada ou onda modulada) consiga atravessar o meio de transmissão com maior facilidade. Um exemplo de equipamentos de comunicação de dados que utiliza a modulação é o chamado modem analógico (“modem” é uma contração de duas palavras: “mod” de modulador e “dem” de demodulador), utilizado para troca de dados entre computadores e para acesso à Internet, entre outras aplicações. Figura 1.2 – Modem analógico A codificação, por sua vez, altera os sinais digitais oriundos do computador num sinal pseudo-analógico (pseudo-portadora) de forma que o sinal resultante, que é um sinal codificado consiga atravessar o meio de transmissão com maior facilidade, de certa forma “enganando” o meio de transmissão, fazendo-o supor que se trata realmente de um sinal analógico (ou sinal eletro-magnético). Digital Codificado Figura 1.3 – Modem Digital 5 1.2- Histórico da Computação e das Redes de Computadores O conflito da 2ª. Guerra Mundial acabou acelerando os progressos na computação e, conseqüentemente, das redes de computadores. No entanto os experimentos com máquinas para cálculos matemáticos começaram séculos atrás com o Ábaco (3.500 AC), maquina de calcular de Pascal (1642), máquina de calcular de Babbage (1833), a máquina do censo de Hollerith (1890), que em 1924 cria a IBM, o computador Zuse (1938), entre outras máquinas. Baseados nos livros de Jason Patterson em The History Of Computers During My Lifetime e de Raúl Rojas e Ulf Hashagen, 2000, em The First Computers—History and Architectures, nós podemos citar o seguinte retrospecto da história da computação de 1940 para os nossos dias: Nos anos de 1940: O Colossus (1943), o ENIAC (1945), o Baby (1948) e o EDSAC (1949), todos experimentos computacionais de grande porte. Nos anos de 1950: O IBM 701 (1952), primeiro computador totalmente digital. Figura 1.5 - Mainframe Nos anos de 1970: Do primeiro microprocessador de propósito geral do mundo para o Apple II, Commodore PET e TRS-80. O UNIX, a programação de linguagem C, o VAX e o Cray 1 at the high end. 6 Incluo aqui o surgimento do modelo de referência de protocolos TCP/IP, utilizado para interconexão de computadores. Figura 1.6 - Mini-computador Nos anos de 1980: O Commodore 64, o IBM PC, o Apple Macintosh e o Commodore Amiga. A interface Gráfica de usuário e o nascimento da multimídia. O Intel 80386. A linguagem C++ . A arquitetura RISC. A SPARC station 1, o Silicon Graphics IRIS e o NeXT. Fig. 1.7 - IBM PC Incluo aqui o surgimento do modelo de referência de protocolos OSI, utilizado para interconexão de computadores, da rede WAN X.25 e das redes locais de computadores (LAN). 7 Fig. 1.8 - Rede Local de Computadores - sistema barramento Nos anos de 1990: O Microsoft Windows 3. A realidade virtual. O Alpha, o PowerPC e o Pentium. O PowerMacintosh. A Internet e o World Wide Web. O OS/2 Warp. O Windows '95. O Toy Story. Durante a Guerra fria (período após a 2ª. Guerra Mundial) o exército americano sentiu a necessidade de interligar os computadores de suas principais bases militares. Até então os computadores de grande portes, chamados de mainframe, operavam de forma isolada. Os trabalhos eram submetidos ao computador e o resultado dos processos era entregue aos interessados, impressos ou gravados em mídia de alguma espécie (cartão perfurado, fitas magnéticas, etc.). Em outras palavras os computadores não estavam interligados. No final dos anos de 1960 ocorreram os sistemas multi-usuários de tempo compartilhado (time sharing). Usando terminais interativos (teclado e vídeo ou terminais “burros”) os usuários se revezavam na utilização do computador central. A IBM reinava sozinha naquela época. Em 1965 houve a primeira conexão entre computadores (EUA) realizada por Lawrence Roberts e Thomas Merril. A interligação foi efetuada por linha telefônica de baixa velocidade entre os centros de pesquisa de Massachusetts e Califórnia. A partir de 1970 sugiram os primeiros mini-computadores de 32 bits (IBM, HP e Digital) o que levou ao surgimento de um planejamento para distribuir o poder de processamento dos mainframes. O mini-computador VAX da Digital, lançado em 1977, já estava montado para criar uma estrutura de uma rede de computadores. 10 1.3.2 – Rede MAN de Computadores Normalmente compreende a rede de computadores de uma empresa que possuía vários pontos de atendimento (sites) numa mesma cidade, tais como matriz e unidades de fabricação, ou mesmo uma universidade e vários campus interligados. Atinge alguns quilômetros de distância. Figura 1.12 – Rede Metropolitana Computadores (MAN) 1.3.3 – Rede WAN de Computadores Atinge dezenas a milhares de quilômetros de distância. A Internet é um exemplo desse tipo de rede. Normalmente as redes WANs estão sob cuidado das 11 operadoras. Outros exemplos desse tipo de rede são: E1, X.25, Frame Relay, MPLS, etc... (consulte nosso curso sobre Redes WAN). Na prática, a rede WAN consiste de um grande número de redes LAN interligadas pelo meio de transmissão ou meio físicos das operadoras de telecomunicações ao núcleo central da rede WAN (backbone). Figura 1.13 – Rede de Computadores de Longa Distância (WAN) 1.4 - Modelo de Referência de Interconexão OSI 1.4.1 - O modelo OSI/ISO No final da década de 70 do século passado havia uma situação agravante no cenário da comunicação de dados, através das redes de computadores: a adoção das redes de computadores estavam em crescimento, mas computadores de diferentes fabricantes não se comunicavam entre si, pois cada fabricante adotava um modelo de software de comunicação proprietário. Os governos dos países precisavam interligar as suas redes de comunicação de forma segura obedecendo a algum padrão internacional e repassaram esta necessidade aos fabricantes de computadores e órgãos de padronização internacionais. 12 Figura 1.14 - Arquitetura de um computador Von Neumann Para atender o exposto acima a ISO (International of Standardization Organization) em 1977 propôs o modelo OSI (Open Systems Interconnection). Para descrever os problemas referentes ao processo de comunicação entre equipamentos em rede, a ISO criou um modelo de referência - o OSI. O OSI como veremos a seguir é um modelo que divide a complexa tarefa de comunicação entre dois computadores em sete etapas que chamaremos de sete camadas ou sete níveis. A figura a seguir especifica estas sete camadas. Figura 1.15 - Modelo OSI Aplicação Apresentaçã Sessão Transporte Rede Enlace Físico Aplicação Apresentaçã Sessão Transporte Rede Enlace Físico Meio físico protocolos protocolos protocolos protocolos protocolos protocolos protocolos 15 Figura 1.16 - Encapsulamento e Transferência de Dados entre Camadas A esse conjunto de dados mais o cabeçalho chamamos genericamente de PACOTE, que constitui a unidade básica de transmissão de dados na rede. Neste modelo, cada camada além de se comunicar com suas camadas adjacentes, também se comunica com suas camadas pares de outro computador. Para isso, cada camada acrescenta suas próprias informações de controle à mensagem que está sendo transmitida. A informação é acrescentada na forma de cabeçalhos que são introduzidos pelo transmissor e removidos pelo receptor, depois que a informação for utilizada. Quando um programa em um computador necessita enviar uma mensagem a um programa em outro computador, ela é entregue à camada superior que acrescenta seu cabeçalho passando-a à camada seguinte, e assim sucessivamente, até a camada inferior (FÍSICA), que transmite a mensagem pelo meio até o receptor. A camada inferior do receptor lê as informações enviadas a ela, contidas no cabeçalho, e entrega seu conteúdo à camada seguinte, e assim sucessivamente, até que a mensagem seja recebida pelo programa receptor Em função da camada de origem, o pacote recebe um nome específico: Este nome é chamado, em inglês, de PDU (Packet Data Unit) e abaixo temos a designação das PDU´s de cada camada do modelo OSI: Aplicação  Mensagem ou Dados Apresentação  Mensagem ou Dados Sessão  Mensagem ou Dados Transporte  Segmento Rede  Pacote Enlace  Frame ou Quadro Física  Bit 16 Há dois modos de usar o Modelo de Referência OSI • Implementá-lo. • Usá-lo como uma referência para comparar protocolos diferentes. As principais implementações do modelo OSI foram as seguintes: X.25 Rede de comutação de pacotes X.400 Sistema privativo de envio de mensagens (utilizado em EDI) X.500 Serviço de diretório Mas na atualidade é inegável que o uso principal do modelo OSI é como uma referência, principalmente na área de ensino. Observa-se atualmente alguns especialistas falarem em desejo de migrar a Internet para o modelo OSI em alguma momento futuro. Embora a afirmação destes autores, eles acreditam que o lapso de tempo para esta migração será bastante demorado (de 3 a 50 anos). 1.5 – Introdução ao Modelo de Interconexão TCP/IP No final dos anos 60s a Agência de Projeto de Pesquisa Avançada (ARPA) nos EUA desejava conectar seus computadores. Nota: ARPA ficou conhecida depois como a Agência de Pesquisa de Projeto de Defesa Avançada (DARPA). A rede produzida ficou conhecida como a ARPANET. Esta rede Interligou universidades e agências de governo. É importante citar que a ARPANET era essencialmente um projeto de hardware. O Departamento Americano de Defesa (DOD) estava fortemente envolvido na fundamentação nesta fase. O protocolo inicial usado pela ARPANET foi chamado de NCP. Não se havia pensado na época quanto à expansão dess rede. Pelo meio dos anos 70s o protocolo NCP já não podia lidar com o tamanho da rede e foi substituído então pelo Suite Internet Protocol. O Suite Internet Protocol foi nomeado posteriormente como TCP/IP, devido aos seus dois protocolos principais. A partir de janeiro de 1983 a todos os computadores que desejassem se conectar à ARPANET era exigido deles o uso dos protocolos TCP/IP. Também em 1983, o Departamento de Defesa separou a rede ARPANET em duas redes independentes: • ARPANET para pesquisa experimental • MILNET para uso militar. 17 Hoje a ARPANET foi substituída através de novas tecnologias mas a MILNET ainda forma o backbone das comunicações militares dos EUA. O sucesso do TCP/IP e da Internet levaram outros grupos a adotá-lo. A National Science Foundation dos EUA (Fundação de Ciência Nacional) teve um papel ativo habilitando o protocolo TCP/IP em suas máquinas, possibilitando a conexão de tantos cientistas quanto possível. Universidade de Berkeley Nos princípios dos anos 80s a Universidade de Berkeley migrou os protocolos de TCP/IP para a versão do UNIX deles. Isto fez o TCP/IP cada mais popular e também assegurou que o TCP/IP se tornasse o método principal de se conectar máquinas UNIX (o sistema operacional dominante da época). Também com a migração os protocolos Berkeley adicionaram aplicações TCP/IP baseadas em UNIX. Origem da Internet Da ARPANET veio a Internet. Os pesquisadores que desenvolveram a arquitetura de Internet pensaram na ARPANET como um backbone de rede de longa distância (rede WAN) segura, ao redor do qual a Internet poderia ser construída. A Internet começou ao redor de 1980, quando o DARPA começou convertendo máquinas ligadas às redes de pesquisa aos protocolos de TCP/IP. O que é a Internet A Internet é um exemplo de interconexão de redes. Consistia de mais de 5.000 LANs no seu início e em 2009 o número está perto de 1.000.000 de LANs e é baseada no TCP/IP. Muitos problemas na Internet resultam em desenvolvimentos do TCP/IP para superar estes problemas. A Internet conecta a maioria das instituições de pesquisa nos EUA. A Internet se expande pelo mundo e não é limitada aos EUA. A Internet foi descrita como um grande projeto de pesquisa para o qual qualquer um pode contribuir via RFCs. O IAB (Internet Architeture Board) e as RFCs (Request for Comments) O TCP/IP não surgiu de um desenvolvedor ou fabricante em particular ou de corpo de padrões reconhecido (como a ISO e o ITU-T o são). O TCP/IP é “controlado” pelo Internet Arquitetures Board (IAB), hoje um comitê do IETF (explicado abaixo). O papel principal do IAB é: • Gerenciar a direção técnica do TCP/IP • Padronizar protocolos pertinentes. 20 Esta camada também tem a função de roteamento e de controle de tráfego, sendo semelhante a camada de rede do MR OSI/ISO. 1.5.1.3 – Camada de Transporte Esta camada é responsável pela comunicação fim a fim entre uma máquina de origem e uma máquina de destino. Para isto foram definidos dois protocolos: • TCP (Transmission Control Protocol) – orientado à conexão confiável. Este protocolo fragmenta um fluxo de bytes em mensagens e as entrega a camada inter-rede. No destino o TCP remonta as mensagens recebidas em fluxo de bytes. Responsável pelo controle de fluxo, controle de erro, sequencialização e multiplexação do acesso ao nível inter-rede. • UDP (User Datagram Protocol) – é um protocolo sem conexão e não confiável para aplicações que não necessitem de controle de fluxo, nem de seqüencialização das mensagens (voz e vídeo). O serviço fornecido é somente o de multiplexação e demultiplexação do acesso a inter-rede. 1.5.1.4 – Camada de Aplicação A arquitetura de rede TCP/IP não implementa as camadas de apresentação e de sessão de acordo com o MR OSI/ISO, porque na prática elas são pouco usadas pelas aplicações. Na realidade o modelo TCP/IP concentra as funções das três camadas superiores do modelo OSI, Sessão, Apresentação e Aplicação, numa única camada chamada de Aplicação. Os protocolos mais conhecidos desta camada são: FTP (File Transfer ,Protocol), TELNET (Terminal Network), SMNP (Simple Mail Network Protocol), DNS (Domain Name Server), HTTP, WWW, etc. 1.5.2 Conceitos fundamentais da divisão por camadas Com a divisão por camadas no TCP/IP temos cinco conceitos fundamentais: 1.5.2.1 - Encapsulamento Cada camada apanha os dados da camada superior e encapsula estes dados na área de dados de seu próprio “pacote”. Uma analogia é que cada camada apanhará os dados e envelope da camada superior e colocará isto em seu próprio envelope o qual, por sua vez, é passado para a camada inferior. 1.5.2.2 – Desencapsulamento 21 É o contrário do encapsulamento. Os dados ao chegarem no destinatário deverão ser desencapsulados, ou seja, cada camada retira o seu cabeçalho e passa a informação para a camada superior, até atingir a camada de aplicação. 1.5.2.3 – Multiplexação No host transmissor as camadas superiores, transporte, por exemplo, utiliza a camada de rede, através de várias aplicações simultâneas, realizando o processo de multiplexação (várias requisições na camada de transporte usam a camada de rede para atuar como “meio físico” para repasse dos dados). 1.5.2.2 - Demultiplexação Ela é o contrário de multiplexação. Quando um pacote chega a um Host as camadas têm que passar o pacote até a camada superior. Não é atípico ter mais que uma camada apoiada no topo de uma camada. Neste caso a camada mais baixa tem que decidir para qual camada passar a informação. Em outras palavras alguma forma de Demultiplexação é requerida. 1.5.2.4 – Fragmentação Resumidamente a fragmentação ocorre quando os dados numa camada são divididos em unidades menores de forma que as camadas mais baixas possam controlá-los corretamente. No host receptor o pacote original deverá ser remontando. Isto será explorado em detalhes posteriormente. . Figura 1.18 - Comparação entre o Modelo OSI e TCP/IP Aplicação Apresentaçã Sessão Transporte Rede Enlace Físico Aplicação Transporte Inter-rede Host/Rede 22 1.5.3 – Comparação entre os Modelos de Referência OSI e TCP/IP Pontos em comum: • Modelo baseado em camadas com pilha de protocolos independentes; • A camada de transporte implementa serviços orientado à conexão e não orientado à conexão. • A camada de rede realiza basicamente a mesma tarefa de endereçamento lógico e encaminhamento de pacotes (no TCP/IP chamados de datagramas). Principais diferenças: • Número de camadas; • TCP/IP não distingue claramente os conceitos de serviço (função da camada), interface (especifica parâmetros e resultados esperados) e protocolo (fornece os serviços); • Modelo OSI/ISO não foi baseado em nenhum protocolo existente; • TCP/IP baseado em um padrão de protocolos de fato; • No MR OSI/ISO, as funções das camadas Físico, Enlace e Rede que definem a transmissão de dados em uma única rede. Já no MR TCP/IP estes serviços são agrupados na camada Host/Rede, a qual define uma interface com a camada inter-rede; • Os serviços de Rede são implementados pelo IP, o que define apenas um protocolo para esta função; • Com a prática verificou-se que a implementação das funções das camadas de apresentação e sessão seriam melhor aproveitadas definindo-se apenas em uma camada, como foi feito a partir do TCP/IP para aplicações distribuídas. 1.6 – Críticas aos Modelos de Referência Modelo OSI/ISO: 1. Momento ruim – não havia definição de um padrão de fato; 2. Tecnologia ruim – somente uma opção no MR OSI/ISO, sendo baseada na arquitetura SNA (IBM); 3. Implementação ruim – lenta e vários problemas na sua implementação; 4. Política ruim – visto como um modelo dos ministérios das telecomunicações europeus e americanos. Modelo TCP/IP: 1. Não distingue serviço, interface e protocolo, o que é contrário aos conceitos de Engenharia de Software; 2. Não consegue descrever outras pilhas de protocolos a não ser a própria;
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