[Rede de Computadores] Notas de Estudo de Rede de Computadores

00. Índice

01. Objetivos de Aprendizagem

02. Visão Geral das Redes de Computadores

2.1 Rede de computadores

"Integração Tripla de Rede": Integração da moderna tecnologia de rede de computadores

Internet (Internet: atualmente a tradução padrão mais popular e de fato): a maior e mais importante rede de computadores do mundo

Internet+: uma nova forma económica

• Refere-se a "Internet + diversas indústrias tradicionais".
• Integrar profundamente as conquistas inovadoras da Internet em vários domínios económicos e sociais.
  

Efeitos negativos da Internet

2.2 Visão geral da Internet

Rede de computadores : Consiste em vários nós e links que conectam esses nós. Os nós podem ser computadores, hubs, switches ou roteadores, etc.

Internet (internetwork ou internet): Múltiplas redes são conectadas entre si através de alguns roteadores para formar uma rede de computadores com maior cobertura. “rede de redes”.

Redes e Internet

• Rede: Conectando vários computadores juntos.
• Internet: Muitas redes estão conectadas entre si através de alguns roteadores. Os computadores conectados a uma rede são frequentemente chamados de hosts.

2.3 Três estágios de desenvolvimento da Internet

Fase 1: 1969 – 1990

• ARPANET: Originalmente uma única rede comutada por pacotes, não uma rede de Internet.
• Em 1983, o protocolo TCP/IP tornou-se o protocolo padrão na ARPANET, permitindo que todos os computadores que usam o protocolo TCP/IP se comunicassem entre si usando a Internet.
• As pessoas consideram 1983 como o ano em que a Internet nasceu.
• Em 1990, a ARPANET anunciou oficialmente o seu encerramento.

Segunda fase: 1985 – 1993

• Rede Nacional de Fundação Científica NSFNET.
• Estrutura de três níveis: rede backbone, rede regional e rede de campus (ou rede corporativa).
• Abrangendo as principais universidades e institutos de pesquisa dos Estados Unidos, tornou-se um componente importante da Internet.
  

Fase Três: 1993 – Presente

• O provedor de serviços de Internet (ISP) apareceu:

  • Fornece acesso à Internet.

  • É necessária uma determinada taxa.

• Estrutura ISP multinível:

  • ISP de backbone, ISP regional e ISP local.
  • Diferenças na área de cobertura e número de endereços IP possuídos

• Internet Exchange Point IXP (Internet eXchange Point): permite que duas redes sejam conectadas diretamente e troquem pacotes rapidamente.
  • Switches de rede que trabalham na camada de enlace de dados são frequentemente usados.
  • O pico de rendimento dos maiores IXPs do mundo está no nível de Tbit/s.
• Provedor de conteúdo: Uma empresa que fornece vídeos e outros conteúdos a todos os usuários da Internet. Nenhum serviço de transferência de Internet é fornecido aos usuários.

2.4 Tecnologia de comutação

As tecnologias de comutação típicas incluem:

• comutação de circuitos

• comutação de pacotes

• Troca de mensagens, etc.

O núcleo da Internet usa tecnologia de comutação de pacotes.

(1) Comutação de circuito

O número de pares de fios em função do número de aparelhos telefônicos.

À medida que o número de aparelhos telefônicos aumentou, comutadores telefônicos foram usados ​​para conectar os telefones.

Cada telefone é conectado diretamente a um switch, que usa comutação para permitir que os usuários do telefone se comuniquem facilmente entre si. Este método de comutação é a comutação de circuitos.

O significado de mudar

Transferência: Para conectar uma linha telefônica a outra.
Do ponto de vista da alocação de recursos de comunicação, significa alocar dinamicamente os recursos da linha de transmissão de uma determinada maneira.

Recursos de comutação de circuito

Dividido em três etapas:

• Estabeleça uma conexão: Estabeleça um caminho físico dedicado (ocupando recursos de comunicação).
• Chamada: O chamador e o chamado conversam entre si (sempre ocupando recursos de comunicação).
• Liberar conexão: Liberar o canal físico dedicado recém utilizado (recursos de comunicação de retorno).

Esse método de comutação que deve passar pelas três etapas de "estabelecer uma conexão (ocupar recursos de comunicação), falar (sempre ocupar recursos de comunicação) e liberar a conexão (devolver recursos de comunicação)" é chamado de comutação de circuitos.

Características da comutação de circuitos: Os dois usuários da chamada sempre ocupam recursos de comunicação ponta a ponta.

Os dados do computador têmRepentino, o que resulta em uma taxa de utilização muito baixa das linhas de comunicação durante a transmissão de dados. O tempo realmente usado para transmitir dados é muitas vezes inferior a 10%, ou até mesmo inferior a 1%. Os recursos da linha de comunicação que foram ocupados pelos usuários são usados ​​mais do tempo é gratuito.

(2) Comutação de pacotes

Principais características da comutação de pacotes

• Use a tecnologia de armazenar e encaminhar.

No final do envio, a mensagem mais longa é primeiro dividida em segmentos menores de dados de igual comprimento.

Adicionar um cabeçalho na frente do segmento de dados forma um pacote.

A comutação de pacotes usa "pacote" como unidade de transmissão de dados

A Internet usa tecnologia de comutação de pacotes. Um pacote é uma unidade de dados transmitida pela Internet.

A extremidade emissora envia cada pacote para a extremidade receptora, por sua vez.

Depois de receber o pacote, a extremidade receptora retira o cabeçalho e o restaura para a mensagem original.

Encaminhamento de pacotes na Internet

• Encaminhamento com base no endereço de destino, endereço de origem e outras informações importantes de controle contidas no cabeçalho.
• Cada pacote escolhe independentemente um caminho de transmissão na Internet.
• Os roteadores localizados no núcleo da rede são responsáveis ​​pelo encaminhamento de pacotes, ou seja, pela comutação de pacotes.
• Os roteadores criam e mantêm tabelas de encaminhamento dinamicamente.

Cada pacote seleciona independentemente um caminho de transmissão

Vantagens da comutação de pacotes

vantagem	meios usados
Eficiente	No processo de transmissão de pacotes, a largura de banda de transmissão é alocada dinamicamente e o link de comunicação é ocupado segmento por segmento.
flexível	A rota de encaminhamento mais apropriada é selecionada independentemente para cada pacote.
rápido	Usando pacotes como unidades de transmissão, os pacotes podem ser enviados para outros hosts sem estabelecer primeiro uma conexão.
confiável	Protocolos de rede que garantem confiabilidade; redes distribuídas de comutação de pacotes com múltiplos roteamentos tornam a rede altamente resistente.

Problemas causados ​​pela comutação de pacotes

• Atraso na fila: os pacotes precisam ser enfileirados quando armazenados e encaminhados por cada roteador.
• A largura de banda não é garantida: alocação dinâmica.
• Aumento da sobrecarga: Cada pacote deve transportar informações de controle; o roteador deve armazenar temporariamente os pacotes, manter tabelas de encaminhamento, etc.

(3) Troca de mensagens

Na década de 1940, a comunicação telegráfica adotou a comutação de mensagens com base no princípio store-and-forward.
Contudo, o atraso na troca de mensagens é relativamente longo, variando de vários minutos a várias horas.
A troca de mensagens raramente é usada hoje em dia.

As principais diferenças entre comutação de circuitos, comutação de mensagens e comutação de pacotes

• Se você deseja transmitir continuamente uma grande quantidade de dados e o tempo de transmissão for muito maior que o tempo de estabelecimento da conexão, a taxa de transmissão da comutação de circuitos será mais rápida.
• A comutação de mensagens e a comutação de pacotes não requerem pré-alocação de largura de banda de transmissão, o que pode melhorar a utilização do canal de toda a rede ao transmitir dados em rajadas.
• Como o comprimento de um pacote é muitas vezes muito menor que o comprimento da mensagem inteira, a comutação de pacotes tem um atraso menor do que a comutação de mensagens e também tem melhor flexibilidade.

2.5 Classificação de redes de computadores

Classificação de acordo com o escopo da rede

categoria	Escopo ou distância
WAN (rede de área ampla)	Geralmente dezenas a milhares de quilômetros. Às vezes também chamada de rede de longa distância**** . É a parte central da Internet.
MAN ( Rede Metropolitana)	O escopo de ação é geralmente uma cidade e o alcance de ação é de cerca de 5 a 50 quilômetros.
LAN ( rede local)	Limitado a um alcance menor (como cerca de 1 km). Normalmente são utilizadas linhas de comunicação de alta velocidade.
Rede de área pessoal PAN (rede de área pessoal)	O alcance é muito pequeno, cerca de 10 metros. Às vezes também chamada de rede de área pessoal sem fio WPAN (Wireless PAN).

Categorizar por usuários da rede

categoria	Escopo ou distância
rede pública	Uma rede que qualquer pessoa que pague a taxa exigida pode usar. Também pode ser chamada de rede pública ****.
rede privada	Uma rede construída para necessidades específicas de negócios.

03. Conceito de acordo

O protocolo de rede, abreviadamente denominado protocolo, é uma regra, padrão ou convenção estabelecida para troca de dados na rede.
Três componentes:

• Sintaxe: A estrutura ou formato dos dados e informações de controle.
• Semântica: quais informações de controle precisam ser enviadas, quais ações realizar e quais respostas dar.
• Sincronização: Uma descrição detalhada da ordem em que os eventos são alcançados.

Os protocolos de rede são parte integrante das redes de computadores.

Do ponto de vista da aplicação, os protocolos podem ser entendidos como “regras”, que são regras para transmissão e interpretação de dados.

​Suponha que ambas as partes A e B desejam transferir arquivos. Regulamento:

​Na primeira vez, o nome do arquivo é transmitido, o receptor recebe o nome do arquivo e responde OK ao transmissor;

Na segunda vez, o tamanho do arquivo é enviado e o destinatário recebe os dados e responde novamente com OK;

​Na terceira vez, transfira o conteúdo do arquivo. Da mesma forma, o receptor responde OK após receber os dados, indicando que o conteúdo do arquivo foi recebido com sucesso.

Portanto, não importa que tipo de arquivo seja transferido entre A e B, ele será concluído por meio de três transmissões de dados. A regra de transmissão de dados mais simples é formada entre A e B. Ambas as partes enviam e recebem dados de acordo com esta regra. As regras mutuamente duradouras alcançadas entre A e B são acordos.

​Este acordo que só é observado entre A e B é chamado de acordo original . À medida que este protocolo for adotado por mais pessoas, ele continuará a ser adicionado, melhorado, mantido e aperfeiçoado. Finalmente, é formado um protocolo de transferência de arquivos estável e completo, amplamente utilizado em vários processos de transferência de arquivos. O protocolo se torna um protocolo padrão . O primeiro protocolo FTP foi derivado disso.

04. Hierarquia

Modelo OSI de sete camadas

1) Camada física : define principalmente padrões de equipamentos físicos, como tipos de interface de cabo de rede, tipos de interface de fibra óptica, taxas de transmissão de vários meios de transmissão, etc. Sua principal função é transmitir fluxos de bits (ou seja, converter 1 e 0 em intensidade de corrente para transmissão e, em seguida, converter em 1 e 0 após chegar ao destino, que é o que costumamos chamar de conversão digital para analógico e analógico para -conversão digital). Os dados neste nível são chamados de bits .

2) Camada de enlace de dados : define como transmitir dados formatados em frames e como controlar o acesso ao meio físico. Essa camada também normalmente fornece detecção e correção de erros para garantir uma transmissão confiável de dados. Por exemplo: 115200, 8, N, 1 usado em comunicação serial

3) Camada de rede : Fornece conexão e seleção de caminho entre dois sistemas host em redes localizadas em localizações geográficas diferentes. O desenvolvimento da Internet aumentou muito o número de usuários que acessam informações de sites ao redor do mundo, e a camada de rede é a camada que gerencia essa conexão.

4) Camada de transporte : Define alguns protocolos e números de porta para transmissão de dados (porta WWW 80, etc.), como: TCP (Protocolo de Controle de Transmissão), que possui baixa eficiência de transmissão e forte confiabilidade. É usado para transmissão com alta requisitos de confiabilidade e grande volume de dados), UDP (User Datagram Protocol, que é exatamente o oposto das características TCP. É usado para transmitir dados com baixos requisitos de confiabilidade e pequeno volume de dados. Por exemplo, dados de chat QQ são transmitidos neste caminho). O objetivo principal é segmentar e transmitir os dados recebidos da camada inferior e remontá-los após chegar ao endereço de destino. Essa camada de dados costuma ser chamada de segmento .

5) Camada de sessão : Estabelece um caminho de transmissão de dados através da camada de transporte (número da porta: porta de transmissão e porta de recepção). Principalmente inicia sessões ou aceita solicitações de sessão entre seus sistemas (os dispositivos precisam se conhecer, que podem ser IP, MAC ou nome de host).

6) Camada de apresentação : Garante que as informações enviadas pela camada de aplicação de um sistema possam ser lidas pela camada de aplicação de outro sistema. Por exemplo, um programa de PC se comunica com outro computador, um dos quais usa Extended Decimal Interchange Code (EBCDIC), enquanto o outro usa American Standard Code for Information Interchange (ASCII) para representar os mesmos caracteres. Se necessário, a camada de apresentação converte vários formatos de dados usando um formato comum.

7) Camada de aplicação : É a camada OSI mais próxima do usuário. Esta camada fornece serviços de rede para aplicativos de usuário, como e-mail, transferência de arquivos e emulação de terminal.

Quanto mais baixa a camada, mais próximo do hardware; quanto mais alta a camada, mais próximo do usuário

Modelo TCP/IP de quatro camadas

A pilha de protocolos de rede TCP/IP é dividida em quatro camadas: camada de aplicação (Aplicação), camada de transporte (Transporte), camada de rede (Rede) e camada de enlace (Link).

05. Processo de comunicação

06. Camada de enlace de dados

6.1 quadros

Encapsulamento em enquadramento (enquadramento): Adicione um cabeçalho e um trailer antes e depois de um dado para formar um quadro.

Uma função importante do cabeçalho e do trailer é realizar a delimitação do quadro (ou seja, determinar os limites do quadro).

Unidade Máxima de Transferência MTU (Unidade Máxima de Transferência): Especifica o limite superior do comprimento da parte de dados do quadro que pode ser transmitida.

6.2 Topologia

Topologia LAN

Meio de transmissão LAN

O papel do adaptador

• Execute a conversão serial/paralela.
• Armazene os dados em cache.
• Instale drivers de dispositivo no sistema operacional do seu computador.
• Implemente o protocolo Ethernet.

6.3 Endereço de hardware da camada MAC

O endereço de hardware também é chamado de endereço físico ou endereço MAC.

O padrão IEEE 802 especifica um endereço global de 48 bits (referido como endereço) para LAN, que se refere ao endereço solidificado na ROM do adaptador em cada computador da LAN.

Nota: Se um host ou roteador conectado a uma LAN tiver vários adaptadores instalados, o host ou roteador terá vários “endereços”.

• A autoridade de registro IEEE RA é responsável por alocar os primeiros 3 bytes (ou seja, os 24 bits superiores) aos fabricantes, o que é chamado de Identificador Organizacional Único OUI (Identificador Organizacional Único).
• Os últimos 3 bytes (24 bits inferiores) atribuídos pelo fabricante são chamados de identificadores estendidos.
• Deve-se garantir que os adaptadores produzidos não possuam endereços duplicados.
• O endereço é fixado na ROM do adaptador.

Adaptador tem função de filtro

• Cada vez que um quadro MAC é recebido, o endereço MAC no quadro é primeiro verificado pelo hardware.
• Se o quadro for enviado para esta estação, ele será aceito e então outro processamento será realizado.
• Caso contrário, o quadro será descartado e nenhum outro processamento será realizado.

"Frames enviados para este site" incluem os três tipos de frames a seguir:

• Quadro Unicast (um para um)
• Quadro de transmissão (par de todos)
• Quadro multicast (um para muitos)

Dicas gentis

Um adaptador Ethernet operando em modo promíscuo receberá quadros desde que os "ouça" sendo transmitidos pela Ethernet.

6.4 Estendendo Ethernet na camada física

Extensão usando hub

vantagem

• Permita que computadores que originalmente pertencem a diferentes domínios de colisão (domínios de conflito) se comuniquem entre domínios de colisão.
• Cobertura geográfica expandida de Ethernet.

deficiência

• O domínio de colisão é aumentado, mas o rendimento geral não é melhorado.
• Se forem utilizadas diferentes tecnologias Ethernet (por exemplo, diferentes taxas de dados), então não poderão ser interligadas através de um hub.

domínio de colisão

Domínio de colisão, também conhecido como domínio de colisão, refere-se àquela parte da rede onde os quadros enviados por uma estação colidirão ou entrarão em conflito com os quadros enviados por outras estações.

Quanto maior o domínio de colisão, maior a probabilidade de colisão.

6.5 Estendendo Ethernet na camada de enlace de dados

No início, eram usadas pontes e agora são usados ​​switches Ethernet.

Pontes e switches Ethernet

Características dos switches Ethernet

• Essencialmente uma ponte multi-interface.
  • Geralmente há uma dúzia ou mais interfaces.
• Cada interface está diretamente conectada a um único host ou outro switch Ethernet e geralmente opera em modo full-duplex.
• Os switches Ethernet são paralelizáveis.
  • Ele pode conectar vários pares de interfaces ao mesmo tempo, permitindo que vários pares de hosts se comuniquem ao mesmo tempo.
  • Todos os hosts que se comunicam entre si ocupam exclusivamente o meio de transmissão e transmitem dados sem colisão.
  • Cada porta e o host conectado à porta formam um domínio de colisão.

Cada interface de um switch Ethernet é um domínio de colisão

Largura de banda exclusiva para cada usuário, aumentando a capacidade total

07. Camada de rede

7.1 Dois níveis da camada de rede

nível de dados

• O roteador encaminha os pacotes recebidos da interface correspondente encontrada com base na tabela de encaminhamento gerada por este roteador.
• Trabalhar independentemente.
• O hardware é usado para encaminhamento, o que é rápido.

nível de controle

• Calcule rotas com base no algoritmo de roteamento usado pelo protocolo de roteamento e crie uma tabela de roteamento para este roteador.
• Muitos roteadores agindo juntos.
• Usar software para calcular é lento.

7.2 Protocolo IP da Internet

Três protocolos que suportam o protocolo da Internet IPv4:

• Protocolo de resolução de endereço ARP (protocolo de resolução de endereço)
• Protocolo de mensagens de controle da Internet ICMP (protocolo de mensagens de controle da Internet)
• Protocolo de gerenciamento de grupo da Internet IGMP (protocolo de gerenciamento de grupo da Internet)

Interconexão de rede usando roteadores

Transmissão de pacotes pela Internet

Caminho de transmissão de pacotes

7.3 Endereço IP

Endereços IP e como eles são representados

Cada interface de cada host (ou roteador) na Internet recebe um endereço IP globalmente exclusivo.

Caso de notação decimal pontilhada

Os endereços IP seguem uma estrutura de 2 níveis

Endereço IP::= { <número da rede>, <número do host>}

Os endereços IP são únicos em toda a Internet.

Um endereço IP identifica um host conectado a uma rede

Classificação de endereço IP

Intervalos de atribuição de vários endereços IP

Perceber:

• Entre os endereços de rede Classe A, os números de rede 0 e 127 são endereços reservados e não são atribuídos. 0 significa "esta rede", 127 é reservado como endereço de teste de loopback local.
• Entre os endereços de rede Classe B, o número de rede 128.0 é reservado pela IANA e não será atribuído. Pode ser atribuído ao usar o endereçamento sem classe (CIDR).
• Entre os endereços de rede Classe C, o número de rede 192.0.0 é reservado pela IANA e não será atribuído. Pode ser atribuído ao usar o endereçamento sem classe (CIDR).
• Ao atribuir um número de host, todos os zeros e todos os uns devem ser deduzidos. Todos os 0s e todos os 1s têm significados e usos especiais.

Endereços IP especiais geralmente não usados

7.4 Máscara de endereço

• Também chamada de máscara de sub-rede.
• Número de bits: 32 bits.
• Objetivo: Deixe a máquina calcular rapidamente o endereço de rede a partir do endereço IP.
• Consiste em uma série de 1 seguido por uma série de 0, e o número de 1 é o comprimento do prefixo da rede.

Máscara de sub-rede padrão

Endereço de rede = (endereço IP binário) E (máscara de endereço)

7.5 Endereço IP e endereço MAC

08. Camada de transporte

8.1 Dois protocolos principais na camada de transporte

Padrões formais para a Internet:

• Protocolo de datagrama de usuário UDP (protocolo de datagrama de usuário)
• Protocolo de Controle de Transmissão TCP (Protocolo de Controle de Transmissão)

8.2 Diferenças entre UDP e TCP

8.3 Aplicações típicas e protocolos de camada de aplicação de UDP e TCP

Número da porta do protocolo 8.4

Um número de porta de protocolo, ou muitas vezes simplesmente porta, é usado na camada de transporte. Defina a porta como o ponto final abstrato da comunicação.

• As portas são identificadas com um número de porta de 16 bits, permitindo 65.535 números de porta diferentes.
• O número da porta tem significado apenas local e é usado apenas para marcar cada processo na camada de aplicação deste computador.
• Na Internet, não há conexão entre os mesmos números de porta em computadores diferentes.

Duas categorias principais e três tipos de portos

Portas conhecidas comumente usadas

8.5 Protocolo de datagrama de usuário UDP

Principais características do UDP

• sem conexão. Não há necessidade de estabelecer uma conexão antes de enviar dados.
• Use a entrega do melhor esforço. Ou seja, a entrega confiável não é garantida.
• Orientado para mensagens. O UDP transmite e entrega uma mensagem completa por vez.
• Não há controle de congestionamento. O congestionamento da rede não reduz a taxa de envio do host de origem. Muito adequado para requisitos de comunicação multimídia.
• Suporta comunicações um-para-um, um-para-muitos, muitos-para-um, muitos-para-muitos e outras comunicações interativas.
• A sobrecarga do cabeçalho é pequena, apenas 8 bytes.

Características da comunicação UDP: simples e conveniente, mas não confiável.

8.6 Protocolo de Controle de Transmissão TCP

As principais características do TCP

• TCP é um protocolo da camada de transporte orientado à conexão.
• Cada conexão TCP pode ter apenas dois pontos de extremidade e cada conexão TCP só pode ser ponto a ponto (um para um).
• O TCP fornece serviços que são entregues de forma confiável.
• TCP fornece comunicação full-duplex.
• fluxo de bytes orientado
• Um "fluxo" em TCP refere-se a uma sequência de bytes fluindo para dentro ou fora de um processo.
• Orientado para fluxo de bytes: Embora a interação entre o programa aplicativo e o TCP seja um bloco de dados por vez, o TCP trata os dados transmitidos pelo programa aplicativo como apenas uma série de fluxos de bytes não estruturados.

09. Camada de aplicação

um pouco

10. Apêndice