Introdução

A Internet

A Internet é uma "rede de redes", vagamente hierarquizada. A hierarquia, de baixo para cima, consiste em redes locais conectadas a um ISP (Internet Service Provider). Para além da Internet pública, também existem redes privadas, que são denominadas de Intranets.

O envio e receção de mensagens através da Internet funciona através de protocolos (ex: TCP, IP, HTTP, SMTP, FTP, Ethernet).

O que é um Protocolo?

Um protocolo define qual é o formato e a ordem das mensagens enviadas e recebidas por entidades da rede e, para além disso, também das ações a tomar na transmissão e receção de mensagens.

Podemos fazer uma analogia a protocolos olhando para a forma como os seres humanos comunicam entre si. Uma simples pergunta de "Que horas são?" ou apresentarmo-nos funcionam como protocolos: estamos a transmitir uma mensagem e, quando recebida, certas ações serão realizadas (Perguntas as horas -> Vêem as horas e respondem).

Protocolo "humano"

sequenceDiagram participant M as Maria participant J as João M->>J: Olá J->>M: Olá M->>J: Tens horas? J->>M: 10:30

Protocolo de rede de computador

sequenceDiagram participant C as Utilizador participant S as Aplicação C->>S: Pedido de conexão TCP S->>C: Resposta à conexão C->>S: Get https://resumos.leic.pt S->>C: [ficheiro]

Grupos de redes

Podemos considerar que existem vários grupos de rede:

Redes residenciais

Em casa, devido a não existirem muitos dispositivos que precisem de rede e os que precisam ligarem-se normalmente apenas à Internet, a rede é simples.
Tipicamente, em cada casa existe um Modem, um Router e um AP, tudo na mesma "caixinha".
Os dispositivos ligam-se então a essa "caixinha", tanto por cabo como por Wi-Fi ao AP embutido, o que é mais comum.

Redes locais

A rede em Universidades, Empresas, etc. considera-se uma LAN (Local Area Network), onde existe uma mistura de rede cablada e sem fios.
Nestes espaços, é normal existirem switches e routers para melhor gerir o tráfego.

Redes de Data Center

Ligações com bandwidth bastante elevada (entre 10Gbps e 100Gbps) que conectam centenas ou milhares de servidores entre si e à Internet.

Meios de transmissão

De forma a nos ligarmos a uma rede, precisamos de algum meio de acesso. Existem vários tipos:

Por cabo;
Por fibra ótica;
Wireless;
etc.

Que se dividem em dois meios:

Meio Físico

Fios de cobre - Normalmente cabos RJ-45:
- São dos mais comuns;
- Estes cabos têm diferentes categorias e diferentes tipos:
  - Categoria 3: Cabos de telefone e cabos de rede de até 10Mbps;
  - Categoria 5: Até 100Mbps;
  - Categoria 6: Até 1 Gbps;
  - Categoria 7: até 10 Gbps ou 100 Gbps, se a distância for menor do que 15 metros.
Cabos coaxiais
- Cabos bastante isolados, ideais para evitar interferências eletromagnéticas.
Fibra ótica
- É usada ótica (ou seja, luz) para transferir informação;
- É de alta velocidade;
- Não é afetada por interferências de frequências;
- É bastante frágil.

Meio Wireless

Este meio de transmissão é bidirecional e usa antenas para comunicar entre dois dispositivos. Normalmente, são usados APs (Access Points) para transmitir o sinal de rede.

Apesar de parecer ideal apenas ser usada comunicação wireless, em termos de conveniência e substituindo os cabos, este esquema tem alguns problemas específicos:

Reflexão - O sinal é enviado em múltiplos sentidos e, através de reflexão, mais do que um sinal pode ir parar ao mesmo sítio que um outro. Esta sobreposição faz com que exista ruído ou até mesmo que os sinais se cancelem;
Obstrução por objetos - Alguns objetos, especialmente os metálicos, absorvem parte do sinal, fazendo com que a sua potência diminua;
Interferência - Outros dispositivos que também emitem sinais (e.g. um micro-ondas, um rádio, outras antenas, etc.) podem causar interferências com o sinal original.

Extremidade da Rede

É o nível mais baixo da hierarquia, composto por computadores, servidores, também chamados de end systems ou hosts, onde correm aplicações como web, e-mail.

Modelo cliente/servidor: O host do cliente faz um pedido e recebe um serviço de um servidor, que se encontra sempre ligado, como por exemplo um browser no lado do cliente e um servidor web.

Modelo peer to peer: Existe um uso mínimo ou inexistente de servidores dedicados, como é, por exemplo, o caso do Skype e do BitTorrent.

Estratégias de partilha de rede

Circuit Switching

Os recursos da rede (e.g. largura de banda) encontram-se divididos em partes alocadas, sendo estabelecido um canal exclusivo para cada host. Não há partilha de recursos, ou seja, se eu não estiver a utilizar a minha parte, ninguém a está a utilizar.

A largura de banda pode ser dividida por frequências (Frequency division, FDM) ou ao longo do tempo (Time division, TDM).
Na prática, é usada uma mistura dos dois:

FDM (Frequency division multiplexer)

A divisão é feita na frequência.
São usados vários canais/frequências e colocados sobre a mesma fibra óptica/cabo. Cada utilizador usa uma das frequências.

TDM (Time division multiplexer)

A divisão é feita no tempo.
Cada host pode usar a fibra óptica/cabo durante um intervalo específico de tempo.

Exercício de comutação de circuitos

Quanto tempo demora enviar um ficheiro de $640~000 \op{bits}$ do host A para o host B a partir de uma network baseada em comutação de circuitos (circuit switching)?

A bit rate de links disponíveis é $2.048 \op{Mbps}$ ;
Cada link é partilhado usando TDM, havendo $32$ slots/linha;
São precisos $500 \op{ms}$ para estabelecer um circuito end-to-end

Seja $L$ o tamanho do ficheiro e $R$ a rate de transferência.
Simplificando $L$ , tem-se que $L = 640 \times 10^3 \op{bits} = 2^6 \times 10^4 \op{bits}$ .

$R$ é a rate de transferência, ou seja, a quantidade de bits que é possível passar pelo cabo por segundo. Como cada ligação é dividida em $32$ slots, tem-se que dividir a bit rate dada, ou seja, calcula-se,

\begin{aligned} R &= \frac{\text{bit rate total}}{\text{Nº de slots}} = \frac{2.048 \op{Mbps}}{32} = \frac{2048 \op{Kbps}}{32}\\ \\ & = \frac{2^{11} \times 10^3 \op{bits/s}}{2^5} = 64 \op{Kbits/s} \end{aligned}

O tempo total é dado, então, por:

\begin{aligned} t_{\text{total}} &= t_{\text{setup}} + t_{\text{transferir}}\\ &= 0.5 \op{s} + \frac{L}{R}\\ &= 0.5 \op{s} + \frac{640 \op{Kbits}}{64 \op{Kbits/s}}\\ &= 0.5 + 10\\ &= 10.5 \end{aligned}

Desvantagens

Esta estratégia tem alguns problemas:

O aluguer de um canal exclusivo é muito caro e nada prático (e.g., é usado por emissores de televisão quando querem garantir a consistência da ligação);
É um canal pequeno e não tem a performance que outras estratégias, como packet switching, podem oferecer.

Packet Switching

Em vez de dividir os recursos da rede, estes são partilhados e a comunicação é dividida em pacotes. Cada pacote utiliza o tamanho total da largura de banda e os recursos são utilizados à medida que é necessário, ou seja, um host consegue ter o canal todo para ele caso não existam outros hosts - Statistical Multiplexing.

O sistema de encaminhamento na Internet é feito de forma a que cada pacote possa ser enviado por caminhos diferentes (dependendo da congestão de um certo caminho).

Esta estratégia também tem problemas:

A procura pode exceder os recursos disponíveis;
Podem haver atrasos com pacotes à espera na fila ou perdas (Congestion);
Cada pacote tem de ser recebido na totalidade antes de ser encaminhado (Store and forward).

Store and forward

Em cada link, o pacote tem que chegar por inteiro ao router antes de ser transmitido para o próximo link. Ou seja,

O router precisa de receber o pacote todo:

para verificar se houve algum erro na transmissão. Se o pacote ficou corrompido, não faz sentido continuar a propagá-lo;
para calcular o melhor caminho por onde o reencaminhar, visto que certos caminhos podem estar congestionados ou bloqueados.

Para calcular o tempo que um pacote demora a chegar ao seu destino, têm que se somar duas partes: o tempo de propagação e o tempo de transmissão.

O tempo de transmissão é calculado a partir da velocidade de transmissão e do tamanho do pacote, enquanto que o tempo de propagação é calculado a partir da velocidade a que um sinal viaja num condutor e a distância entre os dois pontos. Ou seja, o tempo de propagação não muda se mudar o tamanho dos pacotes ou o número de pacotes a transmitir.

Arquitetura em camadas

Cada camada fornece um serviço às camadas que se encontram acima.

Modelo Internet (Pilha de Protocolos da Internet)

Aplicação:
- Suporta aplicações de rede
- Exemplos: HTTP, SMTP, SSH, FTP, ...
Transporte:
- Transferência de dados entre processos
- Exemplos: TCP, UDP, ...
Rede (Network):
- Encaminhamento de datagrams da origem ao destino
- Exemplos: IP, protocolos de encaminhamento
Ligação:
- Transferência de dados entre elementos da rede vizinhos
- Exemplos: Ethernet, Wi-Fi, PPP, ...
Física:
- Bits "no cabo"

Modelo OSI

Application
Presentation
Session
Transport
Network
Link
Physical

As camadas Application, Presentation e Session correspondem à camada Aplicação no modelo Internet. As restantes camadas são equivalentes às do modelo Internet com o mesmo nome.