Fundamentos Redes Pacotes

Fundamento de Redes de Computadores

Aula 3

Introdução
Núcleo da Rede, Atraso, Perda e Vazão nas
redes Comutadas por Pacotes

Notas da Aula
✔
Apresentar os resultados das atividades da
semana passada.
– Pesquisar como é a conexão da Internet da
Fatec Indaiatuba.
– Verificar a velocidade de acesso upstream e
downstream de algum nó final da Internet
utilizando o SpeedTest.

Fundamentos de Redes de Computadores 2/39

O Núcleo da Rede
malha de roteadores
interconectados
a questão fundamental: como
os dados são transferidos
pela rede?
●
comutação de circuitos:
circuito dedicado por
chamada: rede telefônica
●
comutação de pacotes:
dados enviados pela rede
em “pedaços” discretos


O Núcleo da Rede: Comutação de
Circuitos
recursos fim a fim reservados
para “chamada”
●
largura de banda do enlace,
capacidade de comutação
●
recursos dedicados: sem
compartilhamento
●
desempenho tipo circuito
(garantido)
●
exige preparação de
chamada


O Núcleo da Rede: Comutação de
Circuitos
recursos de rede (p. e., dividindo largura de
largura de banda) banda do enlace em
divididos em “pedaços”
“pedaços” divisão de frequência
pedaços alocados a divisão de tempo
chamadas
pedaço de recurso
ocioso se não usado
por chamada
particular (sem
compartilhamento)


Comutação de Circuitos: FDM e TDM
Multiplexação por divisão de frequência Multiplexação por divisão de tempo (TDM - time
(FDM - frequency division multiplexing); division multiplexing); o tempo de
o espectro de frequências é dividido em transmissão de um canal é dividido em
pequenas fracções de tempo (iguais ou de
diversas faixas, uma para cada
acordo com uma proporção estatística),
transmissão ou comunicação distinta. atribuindo-se uma fracção a cada uma das
várias transmissões que estão a decorrer ao
mesmo tempo.

Exemplo:
FDM
4 usuários

frequência

TDM
tempo

frequência

tempo

Exemplo Numérico
Quanto tempo leva para enviar um arquivo de
640.000 bits do hospedeiro A para o hospedeiro
B em uma rede de comutação de circuitos?
todos os enlaces são de 1536 Mbps
cada enlace usa TDM com 24 slots/seg
500 ms para estabelecer circuito fim a fim

Vamos resolver!


Exemplo Numérico
Quanto tempo leva para enviar um arquivo de 640.000 bits do
hospedeiro A para o hospedeiro B em uma rede de comutação de
circuitos?
500 ms para estabelecer circuito fim a fim.
Se eu tenho 24 slots posso ter 24 usuários simultâneos.
Então em cada slot eu trafego a 1536 Mbps/24 = 64 kbps
Para trafegar um arquivo de 640Kbits temos que 640kbits/64kbps = 10s
No tempo total temos que somar o tempo de ativação que é 0,5s
Portanto o tempo total é igual a 10 + 0,5 = 10,5 s


Exercício
Quanto tempo leva para enviar um arquivo de 1.280.000 bits do
hospedeiro A para o hospedeiro B em uma rede de comutação de
circuitos?
700 ms para estabelecer circuito fim a fim.


Núcleo da rede: comutação de pacotes
cada fluxo de dados fim a fim disputa por recursos:
dividido em pacotes ● demanda de recurso
● usuário A, pacotes de B agregado pode exceder
compartilham recursos da
quantidade disponível
rede
● cada pacote usa largura de
● congestionamento: fila de
banda total do enlace pacotes, espera por uso
● recursos usados quando do enlace
necessários ● store and forward:
pacotes se movem um
salto de cada vez
Divisão da largura de banda em
“pedaços” ● Nó recebe pacote
completo antes de
Alocação dedicada encaminhar
Reserva de recursos


Comutação de pacotes: multiplexação estatística

Ethernet C
A 100 Mb/s multiplexação estatística

1,5 Mb/s
B
fila de pacotes
esperando pelo
enlace de saída

D E

Sequência de pacotes A & B não tem padrão fixo, largura de banda compartilhada por
demanda → multiplexação estatística.
TDM: cada hospedeiro recebe mesmo slot girando quadro TDM.


Comutação de pacotes: store-and-forward
leva L/R segundos para Exemplo:
transmitir (push out) pacote
de L bits para enlace em R L = 7,5 Mbits
bps
R = 1,5 Mbps
store-and-forward: pacote
inteiro deve chegar ao atraso de transmissão =
roteador antes que possa 15 s
ser transmitido no próximo
enlace
atraso = 3L/R (supondo zero
atraso de propagação)

L
R R R


Quais dos dois Métodos de Comutação
você acham mais vantajoso?
Comutação por Comutação por Pacotes
Circuitos


Comutação de pacotes versus comutação de
circuitos
Comutação de pacotes permite que mais
usuários usem a rede!

enlace de 1 Mb/s
cada usuário:
● 100 kb/s quando “ativo”
● ativo 10% do tempo

N usuários
comutação de circuitos
enlace 1 Mbps
● 10 usuários
comutação de pacotes:
● com 35 usuários, probabilidade > 10
ativos ao mesmo tempo é menor que
0,0004

A comutação de pacotes é a “grande

vencedora”?
ótima para dados em rajadas
● compartilhamento de recursos
● mais simples, sem configuração de chamada
congestionamento excessivo: atraso e perda de pacotes
● protocolos necessários para transferência de dados confiável,
controle de congestionamento
P: Como fornecer comportamento tipo circuito?
● largura de banda garante necessário para aplicações de áudio/vídeo
● ainda um problema não resolvido (Capítulo 7)

Que analogias humanas de recursos reservados (comutação de
circuitos) versus alocação por demanda (comutação de pacotes)
podemos fazer?


Estrutura da Internet: rede de redes
aproximadamente hierárquica
no centro: ISPs de “nível 1” (p. e., Verizon, Sprint,
AT&T, Cable and Wireless), cobertura
nacional/internacional
●
tratam uns aos outros como iguais

interconexão ISP nível 1
de provedores
de nível 1
(peer)
privadamente
ISP nível 1 ISP nível 1


ISP nível 2 (tier 2)
ISPs de nível 2: ISPs menores (geralmente
regionais)
conectam a um ou a mais ISPs de nível 1,
possivelmente outros ISPs de nível 2
ISPs de nível
ISP de nível 2 ISP nível 2 2 também
ISP nível 2
paga ao ISP nível olham
1 por ISP nível 1 privadamente
conectividade uns para os
com restante da outros.
Internet
 ISP de nível 2 é ISP nível 1 ISP nível 1 ISP nível 2
cliente do
provedor de nível ISP nível 2 ISP nível 2
1


ISP nível 3 (tier 3)
ISPs de nível 3 e ISPs locais
rede do último salto (“acesso”), mais próxima dos
sistemas finais
ISP
local ISP ISP
ISP ISP
nível 3 local
local local
ISPs locais e ISP nível 2 ISP nível 2
de nível 3 são
clientes de ISP nível 1
ISPs de
camada mais
alta
conectando- ISP nível 1
os ao
restante da ISP
Internet local
ISP ISP ISP
local local local


Um Pacote Passa Por Muitas Redes

ISP
local ISP ISP
ISP ISP
nível 3 local
local local
ISP nível 1

ISP nível 1 ISP nível 1 ISP nível 2
ISP
ISP local
ISP ISP
local local local


Atraso, perda e vazão nas redes comutadas por
pacotes


Como ocorrem a perda e o atraso?
pacotes se enfileiram em buffers de roteador
taxa de chegada de pacotes ao enlace ultrapassa
capacidade de saída do enlace
pacotes se enfileiram, esperam por sua vez
pacote sendo transmitido (atraso)

A

B
pacotes se enfileirando (atraso)
buffers livres (disponíveis) : pacotes chegando
descartados (perda) se não houver buffers livres


Quatro fontes de atraso de pacote
1. processamento 2. enfileiramento
nodal: ●
tempo esperando
●
verificar erros de bit por transmissão
no enlace de
●
determinar enlace
saída
de saída
●
depende do nível
de
congestionamento
transmissão
A do roteador
propagação

B
processamento
nodal enfileiramento


Quatro fontes de atraso de pacote
3. atraso de transmissão: 4. atraso de propagação:
●
R = largura de banda ●
d = tamanho do
do enlace (bps) enlace físico
●
L = tamanho do ●
s = vel. de
pacote (bits) propagação no meio
●
tempo para enviar (~2x108 m/s)
bits no enlace = L/R ●
atraso de propagação
transmissão = d/s
A
propagação

B
processamento Nota: s e R são quantidades
nodal enfileiramento muito diferentes!


Analogia: Caravana de Carros
carros se “propagam” a tempo para “empurrar”
caravana inteira pela
100 km/h
cabine na estrada = 12 X
cabines de pedágio levam 12 10 = 120 s
s para atender carro
tempo para último carro se
(tempo de transmissão)
propagar da 1a à 2a cabine
carro~bit; caravana ~ pacote de pedágio: 100 km/(100
km/h) = 1 h
P: Quanto tempo para a
caravana formar fila antes Resposta: 62 minutos
da 2ª cabine?

100 100
km km
caravana cabine cabine
de 10 carros

Analogia: Caravana de Carros
carros agora se “propagam” a Sim! Após 7 min, 1º carro na
1000 km/h 2ª cabine e 3 carros ainda
na 1ª cabine.
cabine agora leva 1 min para
atender um carro 1º bit do pacote pode chegar
ao 2º roteador antes que o
P: Os carros chegarão à 2ª
pacote seja totalmente
cabine antes que todos os
transmitido no 1º roteador!
carros sejam atendidos na
1ª cabine?

100 100
km km
caravana cabine cabine
de 10 carros

Atraso Nodal
dnodal = dproc + dfila + dtrans + dprop

dproc = atraso de processamento
●
normalmente, poucos microssegundos ou menos
dfila = atraso de enfileiramento
●
depende do congestionamento
dtrans = atraso de transmissão
●
= L/R, significativo para enlaces de baixa velocidade
dprop = atraso de propagação
●
alguns microssegundos a centenas de ms

Atraso de Enfileiramento
R = largura de banda do enlace (bps)
L = tamanho do pacote (bits)
a = taxa média de chegada de pacote

intensidade de tráfego = L.a/R

La/R ~ 0: pequeno atraso de enfileiramento médio
La/R >= 1: atrasos tornam-se grandes
La/R > 1: mais “trabalho” chegando do que pode ser
atendido, atraso médio infinito!


Exercício
Seja uma transmissão de dados com as
seguintes informações.
Seja L (Tamanho do pacote) = 640 bits
a (Taxa de chegada de pacotes)= 5
R (Banda do enlace) = 56000 bps

Esse enlace está dimensionando? Explique.
E se mudarmos os dados para L = 640, a = 5 e R
= 3000 bps


Atrasos e Rotas Reais da Internet
Como são os atrasos e perdas “reais” da
Internet?
Programa Traceroute: fornece medida do atraso
da origem ao roteador ao longo do caminho de
fim a fim da Internet para o destino. Para todo i:
●
envia três pacotes que alcançarão roteador i no
caminho para o destino
●
roteador i retornará pacotes ao emissor
●
emissor temporiza intervalo entre transmissão e
resposta.
3 sondas 3 sondas

3 sondas

Traceroute
Atrasos
1 cs-gw (128.119.240.254) 1 ms 1 ms 2 ms
2 border1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu (128.119.3.145) 1 ms 1 ms 2 ms
3 cht-vbns.gw.umass.edu (128.119.3.130) 6 ms 5 ms 5 ms
4 jn1-at1-0-0-19.wor.vbns.net (204.147.132.129) 16 ms 11 ms 13 ms
5 jn1-so7-0-0-0.wae.vbns.net (204.147.136.136) 21 ms 18 ms 18 ms
6 abilene-vbns.abilene.ucaid.edu (198.32.11.9) 22 ms 18 ms 22 ms
7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu (198.32.8.46) 22 ms 22 ms 22 ms
8 62.40.103.253 (62.40.103.253) 104 ms 109 ms 106 ms
9 de2-1.de1.de.geant.net (62.40.96.129) 109 ms 102 ms 104 ms
10 de.fr1.fr.geant.net (62.40.96.50) 113 ms 121 ms 114 ms
11 renater-gw.fr1.fr.geant.net (62.40.103.54) 112 ms 114 ms 112 ms
12 nio-n2.cssi.renater.fr (193.51.206.13) 111 ms 114 ms 116 ms
13 nice.cssi.renater.fr (195.220.98.102) 123 ms 125 ms 124 ms
14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (195.220.98.110) 126 ms 126 ms 124 ms
15 eurecom-valbonne.r3t2.ft.net (193.48.50.54) 135 ms 128 ms 133 ms
16 194.214.211.25 (194.214.211.25) 126 ms 128 ms 126 ms
17 * * * Sem resposta
18 * * *
19 fantasia.eurecom.fr (193.55.113.142) 132 ms 128 ms 136 ms


Perda de pacote
fila (ou buffer) antes do enlace no buffer tem
capacidade finita
pacote chegando à fila cheia descartado (ou
perdido)
último pacote pode ser retransmitido pelo nó
anterior, pela origem ou de forma nenhuma
buffer
A (área de espera) pacote sendo transmitido

B
pacote chegando ao
buffer cheio é perdido


Vazão
vazão: taxa (bits/unidade de tempo) em que os
bits são transferidos entre emissor/receptor
instantânea: taxa em determinado ponto no
tempo
média: taxa por período de tempo maior
servidor, com arquivo de F bits
para enviar ao cliente

servidor envia link capacity link capacity
tubulação que pode tubulação que pode
bits (fluido)
transportar fluido na
Rs bits/sec transportar fluido na
Rc bits/sec
pela
tubulação taxa Rs bits/s) taxa Rc bits/s)


Vazão
enlace no caminho de fim a fim que restringe a vazão de fim a fim

• Rs < Rc Qual é a vazão média de fim a fim?

Rs bits/s Rc bits/s

 Rs > Rc Qual é a vazão média de fim a fim?

Rs bits/s Rc bits/s


Vazão: cenário da Internet
na prática: Rc ou Rs
normalmente é
gargalo Rs
Rs Rs
vazão de fim a fim por
conexão: R
min(Rc,Rs,R/10)
Rc Rc

Rc

10 conexões (aproximadamente)
compartilham enlace de gargalo
do backbone a R bits/s


Internet
Usuários? ~1.5 bilhão
Roteadores? ~107
Emails por dia? ~1010
Google? ~105 p/ seg
YouTube? ~108 p/ dia


Para a Próxima Aula
Atividade prática
1.Ler o texto em inglês IDCTier1-Whitepaper e
fazer um resumo de uma página para me
entregar.


Slides baseados no material do livro Fundamento
de Redes da Pearson Editora.


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