Notas sobre redes de computadores - Arquitetura de redes de computadores

1. Arquitetura de rede de computadores

1.1 Visão Geral das Redes de Computadores

1.1.1 Conceito de rede de computadores

Definição simples: uma rede de computadores é uma coleção de sistemas de computadores autônomos e interconectados.

Visão ampla: Uma rede de computadores é um sistema que pode realizar o processamento remoto de informações ou um sistema que pode alcançar ainda mais o compartilhamento de recursos.

Perspectiva de compartilhamento de recursos: Uma rede de computadores é uma coleção de sistemas de computadores autônomos interconectados de forma que podem compartilhar recursos entre si.

Perspectiva de transparência do usuário: Uma rede de computadores é um sistema operacional de rede que gerencia automaticamente recursos para os usuários. Ele pode chamar os recursos de que os usuários precisam. Toda a rede é tão transparente para os usuários quanto um grande sistema de computador.

Computador Autônomo: Um computador capaz de gerenciar, configurar e manter a si mesmo

1.1.2 Composição da rede de computadores

Composição física

Rede de computadores: três partes: hardware, software e protocolos.

Hardware: host + processador de comunicação + linha de comunicação + equipamento de comutação.

Software: incluindo software para compartilhamento de recursos e vários softwares de ferramentas que são convenientes para uso dos usuários.

Protocolo: Regras, padrões estabelecidos para a troca de dados em uma rede.

Composição do estilo de trabalho

Rede de Computadores: Parte Edge, Parte Central

Parte Edge: consiste em todos os hosts conectados à Internet para uso direto dos usuários para comunicação e compartilhamento de recursos.

Parte central: Consiste em um grande número de redes e roteadores conectando essas redes, fornecendo conectividade e serviços de comutação para a parte de ponta.

Composição funcional

Rede de computadores: sub-rede de comunicação, sub-rede de recursos

Sub-rede de comunicação: É composta por vários meios de transmissão, equipamentos de comunicação e protocolos de rede correspondentes, fornecendo capacidade de transmissão, troca e controle de dados para a rede e realizando a comunicação de dados entre computadores em rede.

Sub-rede de recursos: Consiste no terminal principal e diversos recursos de software e recursos de informação, sendo responsável pelo negócio de processamento de dados de toda a rede e fornecendo aos usuários diversos recursos e serviços de rede.

1.1.3 Funções das redes de computadores

• comunicação de dados:As funções mais básicas e importantes. Incluindo controle de conexão, controle de transmissão, controle de erros, controle de fluxo, roteamento, multiplexação e outras funções.
• Compartilhamento de recursos: incluindo recursos de dados, recursos de software e recursos de hardware.
• Processamento distribuído: Quando o sistema de computador está sobrecarregado, as tarefas de processamento são transferidas para outros sistemas de computador na rede para processamento e os recursos ociosos do computador são usados ​​para melhorar a utilização de todo o sistema.
• Processamento abrangente de informações: processamento centralizado ou hierárquico de dados espalhados em computadores ao redor do mundo.
• Balanceamento de carga: distribua tarefas de trabalho uniformemente para cada computador na rede de computadores.
• Melhorar a confiabilidade: Cada computador na rede de computadores pode substituir um ao outro através da rede.

1.1.4 Classificação de redes de computadores

• Escopo de distribuição: rede de área ampla, rede de área metropolitana, rede de área local, rede de área pessoal
• Topologia: rede em estrela, rede de barramento, rede em anel, rede mesh
• Tecnologia de transmissão: rede de transmissão, rede ponto a ponto
• Usuário: rede pública, rede privada
• Tecnologia de comutação de dados: rede de comutação de circuitos, rede de comutação de mensagens, rede de comutação de pacotes

1.1.5 Padronização de redes de computadores de obras públicas e organizações relacionadas

Etapas de padronização: rascunhos da Internet, padrões propostos, rascunhos de padrões, padrões da Internet

Organizações relacionadas: ISO, ITU, IEE

1.2 Arquitetura de rede de computadores e modelo de referência

1.2.1 Estrutura hierárquica da rede de computadores

Por que camada?

Quando a estrutura do sistema é grande, as camadas podem implementar melhor o mecanismo de gerenciamento e melhorar a eficiência de todo o sistema. Mas não coloque muitas camadas, caso contrário causará um desperdício de recursos.

• Entidade: Qualquer processo de hardware ou software que pode enviar ou receber informações. Uma entidade é um módulo de software específico.

• Camada peer: A mesma camada em máquinas diferentes.

• Entidades pares: Entidades na mesma camada.

1.2.2 Acordo

Uma regra que controla como duas entidades pares se comunicam,é horizontal

Componentes do protocolo: semântica, sintaxe, sincronização.

• Semântica: a interpretação do significado dos elementos que compõem o protocolo,dizer o que
• Sintaxe: a estrutura ou formato dos dados e informações de controle,como dizer
• Sincronização: especifica a sequência de execução dos eventos.

1.2.3 Interface

As interfaces também são chamadas de pontos de acesso de serviço.A partir da camada física, cada camada fornece pontos de acesso de serviço para cima, ou seja, os serviços não podem ser fornecidos sem interfaces.

• Unidade de dados de serviço (SDU): Unidade de dados de serviço da camada n - n-SDU
• Informações de controle de protocolo (PCI): informações de controle de protocolo para camada n - n-PCI
• Informações de controle de interface (ICI): Informações de controle de interface para camada n - n-ICI
• Unidade de dados de protocolo (PDU): unidade de dados de serviço da n-ésima camada + informações de controle de protocolo da n-ésima camada, n-SDU+n-PCI=n-PDU, n-PDU=(n-1)-SDU,Unidade de dados transmitida entre entidades pares na mesma camada
• Unidade de dados de interface (IDU): unidade de dados de serviço da n-ésima camada + informações de controle de interface da n-ésima camada, n-SDU + n-ICI = n-IDU,Unidade de dados transmitida entre interfaces adjacentes

1.2.4 Serviços

A camada inferior chama funções fornecidas pela camada superior.Os serviços são verticais

Essas funções que são “visíveis” para entidades de nível superior são chamadas de serviços.

• A entidade da enésima camada deve não apenas usar os serviços da camada n-1, mas também fornecer serviços desta camada para a camada n+1. Este serviço éA soma dos serviços fornecidos pela enésima camada e pelas camadas abaixo dela. O nível superior fornece serviços aos usuários.
• A camada superior só pode utilizar os serviços da camada inferior através da interface da camada adjacente, mas não pode chamar os serviços das outras camadas, ou seja, os detalhes de implementação dos serviços prestados pela camada inferior são transparentes para a camada superior.

Transparência: os usuários sabem apenas quais funções estão disponíveis, mas não como implementá-las.

serviços orientados a conexão

Quando duas partes em comunicação se comunicam, uma linha de comunicação é estabelecida antecipadamente: estabelecendo uma conexão, utilizando a conexão e liberando a conexão.

vantagem:

• Fluxo de informações confiável, confirmação de resposta de informações

deficiência:

• Ocupar canal de comunicação

Serviços orientados sem conexão

Quando as duas partes se comunicam, não há necessidade de estabelecer uma linha de comunicação antecipadamente, em vez disso, cada pacote (grupo de mensagens) com um endereço de destino é transmitido para a linha e o sistema seleciona uma rota para transmissão.

vantagem:

• Não ocupa canais de comunicação

deficiência:

• O fluxo de informações pode ser perdido e as informações podem não ser confirmadas pela resposta.

Existe um serviço de atendimento

Após receber os dados, o receptor dá a resposta correspondente ao remetente.

sem serviço de atendimento

O receptor não responde automaticamente após receber os dados.

Serviço Confiável

A rede possui detecção de erros, correção de erros e mecanismos de resposta para garantir que os dados sejam transmitidos de maneira correta e confiável ao destino.

serviço não confiável

A rede não pode garantir que os dados sejam transmitidos ao destino de maneira correta e confiável. A rede só pode tentar ser o mais correta e confiável possível.

1.2.5 Modelo de referência ISO/OSI e modelo TCP/IP

Modelo estrutural de 5 camadas

• Camada de aplicação (usuário para usuário)
  • Tarefa: Fornecer uma interface entre o sistema e os usuários
  • Funções: Transferência, acesso e gerenciamento de arquivos, serviços de e-mail
  • Protocolos: FTP, SMTP, POP3, HTTP
• Camada de transporte (aplicativo para aplicativo, processo para processo)
  • Unidade de transmissão: segmento de mensagem (TCP) ou datagrama de usuário (UDP)
  • Tarefa: Responsável pela comunicação entre dois processos no host
  • Função
    • Um serviço que fornece transporte confiável para conexões ponta a ponta
    • Forneça serviços de gerenciamento, como controle de fluxo, controle de erros e qualidade de serviço para conexões ponta a ponta.
  • Protocolo: TCP, UDP, ARQ
• Camada de rede (host para host)
  • Unidade de transmissão: datagrama
  • Hardware implementado: Roteador
  • Tarefa
    • Encapsular os segmentos de mensagens transmitidos da camada de transporte em pacotes
    • Selecione rotas apropriadas para que os pacotes da camada de transporte possam ser entregues ao host de destino
  • Função
    • Fornecer serviços para a camada de transporte
    • Empacotar e desembalar
    • Roteamento
    • controle de congestão
  • Protocolos: ICMP, ARP, RARP, IP, IGMP
• Camada de enlace de dados (camada de enlace)
  • Unidade de transmissão: quadro
  • Hardware implementado: switches, bridges
  • Tarefa: Montar datagramas IP transmitidos da camada de rede em quadros
  • Função
    • Estabelecimento de conexão de link, desmontagem, desapego
    • Delimitação de quadros e sincronização de quadros
    • detecção de erro
  • Contrato: PPP, HDLC
• camada física
  • Unidade de transmissão: bit
  • Hardware implementado: hub, repetidor
  • Missão: Transmitir bitstream de forma transparente
  • Função: Fornece caminho de transmissão de dados para equipamentos terminais de dados

Reabastecimento

Modelo OSI

• Camada de aplicação
• camada de apresentação
• camada de sessão
• camada de transporte
• Camada de rede
• camada de enlace de dados
• camada física

Arquitetura TCP/IP

• Camada de aplicação

• camada de transporte

• Camada de rede

• camada de enlace de dados

• camada física

• camada de sessão

  • Função: Estabelecer, manter e liberar conexões orientadas ao usuário entre dois nós, gerenciar e controlar sessões e garantir transmissão confiável de dados de sessão.

• camada de apresentação

  • Função: Responsável por processar o formato de representação das informações trocadas entre dois sistemas de comunicação com estruturas internas de representação de dados diferentes (Conversão de formato de dados), fornecendo as funções necessárias de compactação e descompactação de dados para criptografia e descriptografia de dados, bem como melhorando a eficiência da transmissão.

Vantagens da estratificação

1. As camadas são independentes umas das outras
2. Boa flexibilidade
3. estruturalmente separável
4. Fácil de implementar e manter
5. Pode promover trabalho de padronização

A diferença entre o modelo OSI e o modelo TCP/IP

3 conceitos principais: serviço, interface, protocolo.
O protocolo está bem escondido.
Foi produzido antes da invenção do protocolo.
Existem 7 camadas no total.
Camada de rede: com e sem conexão.
Camada de transporte: apenas orientada à conexão.

Não há uma distinção clara entre serviços, interfaces e protocolos. Ele
foi criado após a invenção do protocolo.
Existem 4 camadas (não 5) no total.

Camada de rede: somente sem conexão
Camada de transporte: orientada a conexão e sem conexão

1.2.6 Indicadores de desempenho de redes de computadores

• Latência: O tempo que os dados levam para viajar de uma extremidade de uma rede ou link até a outra, às vezes chamado de atraso ou latência.

  • Atraso de envio (ou atraso de transmissão): o tempo que um host ou roteador leva para enviar dados, ou seja, o tempo que leva desde o envio do primeiro bit do quadro de dados até o momento em que o último bit do quadro é enviado. , o atraso de transmissão do tempo de envio

    Atraso de envio = comprimento do quadro de dados (bit)/taxa de envio (bit/s)

  • Atraso de propagação: o tempo que as ondas eletromagnéticas levam para se propagar por uma certa distância no canal.

    Atraso de propagação = comprimento do canal (m)/velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas no canal (m/s)

  • Latência de processamento: O tempo que um host ou roteador leva para processar um pacote após ele ser recebido.

  • Atraso na fila. Quando um pacote entra na rede para transmissão, ele precisa passar por vários caminhos. No entanto, depois que o pacote entra, ele é enfileirado na fila de entrada para aguardar o processamento. Depois que o roteador determina a interface de encaminhamento, ele também precisa para ser enfileirado na fila de saída para aguardar o encaminhamento. Este é o atraso no enfileiramento.

    Atraso total = atraso de envio + atraso de propagação + atraso de processamento + atraso de fila

• Produto de largura de banda de atraso O produto de largura de banda de atraso também é conhecido como comprimento do link em bits.

  Produto atraso-largura de banda = atraso de propagação x largura de banda

• Tempo de ida e volta: O tempo total decorrido desde o momento em que os dados são enviados até o momento em que o remetente recebe a mensagem de confirmação do destinatário (o destinatário envia a confirmação imediatamente após receber os dados).

• Utilização:Incluindo utilização de canal e utilização de rede

  • A utilização do canal refere-se a quantos por cento do tempo um determinado canal é usado (com dados passando por ele). A taxa de utilização de um canal completamente ocioso é zero.
  • A utilização da rede é a média ponderada da utilização do canal de toda a rede. Porém, deve-se observar que quanto maior a taxa de utilização do canal e a taxa de utilização da rede, melhor, pois quanto maior a taxa de utilização, maior será o atraso no encaminhamento de dados no roteador.

Perguntas práticas

As duas conclusões a seguir estão corretas ou incorretas!

Uma rede com largura de banda de 1 Mbit/s e uma rede com largura de banda de 1 kbit/s tem uma taxa de propagação de fluxos de bits muito maior no link. (×)

Uma rede com largura de banda de 1 Mbit/s tem uma taxa de transferência de dados muito maior do que uma rede com largura de banda de 1 kbit/s. (×)

Quanto maior a largura de banda, mais rápida será a velocidade com que um bit é enviado, em vez de mais rápida será a velocidade de propagação de cada bit através do link de dados.

A taxa de transmissão de dados é determinada pelo atraso total (atraso total = atraso de envio + atraso de propagação + atraso de processamento + atraso de fila), enquanto a largura de banda determina apenas o atraso de envio