Redes fixas e móveis para da dados e voz: perspectiva tecnológica · • Como os componentes das...
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© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 1
Mestrado em Engenhariae Gestão da Tecnologia
Pedro M. [email protected]
Redes fixas e móveis para da dados e voz:perspectiva tecnológica
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AgendaTecnologias de informação e comunicação:
Apoiadas por redes de computadoresIdeias fundamentais do seu funcionamentoConceitos fundamentais de arquitecturaConceitos fundamentais de transmissão dados
Modelo OSI:Nível físico, “data link”, rede e transporte
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Previsões Famosas
“I think there is a world marketfor maybe five computers”
Thomas WatsonIBM Chairman1943
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Previsões Famosas
“There is no reason anyone would want a computer in their home”
Ken OlsonDEC President1977
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Previsões Famosas
“640K ought to be enough for anybody”
Bill GatesCEO, Microsoft Corp.1981
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Moore´s LawNa generalidade, a complexidade dos
sistemas duplica todos os anos
Gordon Moore, Intel, 1965
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Comunicações de Dados
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Comunicações de Dados
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Comunicações de Dados
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Computadores como apoio para a partilha de recursos
• Partilha de informação:– Tipos de informçaão:
• Dados críticos para a missão (e.g. simulações)• Dados utilizados frequentemente (e.g. apresentação)• Manuais de procedimentos (e.g. especificações tarefas)
– Quem acede a que informação:• Permissão de actualização (“update”)• Permissão só de escrita (“read-only”)
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Computadores como apoio para a partilha de recursos
• Partilha de equipamentos (hardware):
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Computadores como apoio para a partilha de recursos
• Partilha de aplicações (software):– Aplicações instaladas centralmente, acessíveis LAN– Uma única instalação central para actualizações– Configuração central e consistente do sistema– Mecanismo único de gestão de acessos
• Partilha de cópias de segurança (backups):– Cópia central automatizada– Infelizmente, ponto único de falha
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Papéis dos computadores
• Clientes:– Utilizam os recursos da rede, sem fornecer recursos adicionais– Utilizam o seu sistema operativo próprio
• Servidores:– Componentes dedicados a fornecer serviços/recursos à rede– Executam e gerem os tarefas requeridas pelos clientes
• “Peers” (clientes & servidores):– Utilizam e fornecem recursos à rede– Comportam-se como servidores e como clientes
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Tipos de redes de computadores
• Cliente / Servidor:– Mistura de clientes e servidores que os suportam– Servidores dedicados a classes de serviço
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Tipos de redes de computadores
• “Peer to Peer”:– Rede de computadores que partilham recursos– Sem servidores dedicados
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Redes baseadas no modelo cliente/servidor
• Vantagens:– Segurança central fortalecida– Centralização de serviços (e.g. file system, backup)– Gestão central do hardware e software partilhados – Optimização de servidores para serviços específicos– Possibilidade de gestão de utilizadores
• Desvantagens:– Hardware e software caros– Necessidade de administrador de rede
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Redes “Peer to peer”
• Vantagens:– Fácil instalação– Inexistência de hardware ou software extra– Inexistência de administrador de rede– Utilizadores controlam uso dos recursos partilhados– Custos reduzidos para redes pequenas
• Desvantagens:– Maior carga nos computadores– Inexistência de organização centralizada– Segurança reduzida (operada por cada utilizador)– Inexistência de gestão centralizada coerente
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Segurança das redes
• “Peer to peer”:– Redes menos seguras, cada recurso tem a sua password– Segurança controlada por acesso a directoria partilhada– Utilizadores gerem o acesso directo aos recursos
• Cliente / Servidor:– Utilizadores fazem “login” na rede– Permissões directas aos utilizadores individuais para acesso
definidas centralmente pelo administrador de rede
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Topologia de rede
Forma como se interligam os vários equipamentosTopologia “Bus”
Componentes ligados a um tronco principalTodos os componentes recebem todas as mensagensApenas o componente destino aceita a mensagem
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Topologia “Bus”
• Vantagens:– Simples, bom funcionamento em redes pequenas– De fácil utilização– Requer pouca cablagem– De fácil extensão (e.g. basta um repetidor)
• Desvantagens:– Performance piora consideravelmente com tráfego– Cada ligação reduz o sinal– Difícil de reparar
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Topologia de rede
Forma como se interligam os vários equipamentosTopologia “Ring”
Cada componente liga-se aos seus vizinhosUsa-se transmissão por meio de “token”Apenas o nó com o “token” pode transmitir
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Topologia “Ring”
• Vantagens:– Todos os nós têm acesso igual à rede– Funciona bem mesmo com muito tráfego
• Desvantagens:– Falha de um nó pode causar falha de toda a rede– De difícil manutenção– Adicionar ou remover nós pode parar a rede– Tipicamente mais cara do que a topologia “star”
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Topologia de rede
Forma como se interligam os vários equipamentosTopologia “Star”
Componentes interligados através de nó centralCada componente comunica apenas com o nó centralNó central gere a retransmissão das mensagens
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Topologia “Star”
• Vantagens:– Fácil de modificar– Fácil de diagnosticar problemas– Baixa de um computador não afecta o resto da rede– Pode utilizar múltiplos tipos de cabos
• Desvantagens:– Hub central é ponto único de falha– Topologia mais cara do que a topologia “bus”
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Topologia de rede
Forma como se interligam os vários equipamentosTopologia “Mesh”
Cada par de componentes liga-se directamenteCara par de componentes comunica directamenteCada componente responsável por gerir sessões
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Topologia “Mesh”
• Vantagens:– Extremamente resistente a falhas– De fácil manutenção
• Desvantagens:– Topologia que requer mais cablagem– Tipicamente a topologia mais cara
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Comparativo das Topologias
CUSTOS
COMPLEXIDADE
CABLAGEM
MANUTENÇÃO
ROBUSTEZ
Menos Mais
Mais barata Mais cara
Mais difícil Mais fácil
Menor Maior
Menor Maior
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Serviço da rede de computadores: encapsular tarefas de “baixo nível”
• Alguns exemplos de problemas “de rede”:– Erros ao nível dos bits: interferências eléctricas
confundem zeros e uns– Erros ao nível dos pacotes: congestionamento da rede
leva à perda de pacotes– Erros ao nível das mensagens: entregues com atrasos
excessivos e fora da ordem de envio
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Taxonomia de serviços
• “Connection-Oriented”:– Caminho fim-a-fim com “controlo de qualidade”
• “Connectionless”:– Mensagens distribuídas por pacotes
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Taxonomia de serviços
• “Connection-Oriented”:
• “Connectionless”:
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Modelo de camadas para redes de computadores
• Modelo Open Systems Interconnection (OSI)– Desenvolvido pela Organization for Standardization– Standard globalmente aceite para modelar redes– Define regras para/sobre:
• Como os componentes das redes contactam entre si• Como os componentes das redes comunicam entre si• Quem tem o direito a utilizar os canais de transmissão• Verificação da correcção das transmissões efectuadas• Garantir que a informação é correctamente representada• Garantir que se comunica a velocidades correctas• Garantir que as redes são fisicamente interligadas
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Modelo de camadas para redes de computadores
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Modelo Open SystemsInterconnection
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Modelo simplificado:Princípio da ampulheta
• Nível Internet:Comutação de pacotesServiço “connectionless”Máquinas injectampacotes para a rede quea atravessam porcaminhos independentes
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Modelo simplificado:Princípio da ampulheta
• Nível Transporte:Permite que pares de máquinas estabeleçam uma ligação fim-a-fim
TCP: “connection-oriented”Comunicação sem erros de mensagens ordenadas;UDP: “connectionless”Sem controlo de fluxo, tipicamente utilizado para aplicações “real-time”
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Modelo simplificado:Princípio da ampulheta
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Modelo TCP/IP:Serviço fim-a-fim
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Nível Físico (osi 1)
• Transmite, bit a bit as mensagens fornecidaspelo nível data link (nível 2)
• Especificações:– Interfaces mecânicas e eléctricas– Portos e fios para interligação– Níveis de voltagem (+5V e -5V)– Técnicas de codificação– Velocidade de transmissão
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Transmissão de sinal
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Sinais digitais
• Representam bits: estado on ou off• Transição imediata entre estados• Codificação dos dados:
– Voltagem positiva pode indicar 0, 1 ou vice-versa– Voltagem indica o valor actual dos dados
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Sinais analógicos
• Representados por ondas electromagnéticas• Sinais contínuos com valores num intervalo• Características das ondas representam 0, 1• Especificações:
– Amplitude: intensidade máxima da onda– Comprimento: “distância entre duas ondas”– Frequência: número de ondas por segundo
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Sinais analógicos
Wavelength
Amplitude
Frequency (cycles in 1 second)
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Espectro electromagnético
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Equações fundamentais
• λ = c / f– λ: comprimento de onda– c: velocidade da luz (3×108 m/seg)– F: frequência
• mdt = 2×f×log2(#níveis)– mdt: velocidade máxima de transmissão– #níveis: número de níveis a diferenciar (digital:2)– Exemplo: bandwidth=3100Hz×2×log2(16)=24800 bps
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Efeitos de propagação: Atenuação
• A amplitude de um sinal gerado decai com a distância à fonte qualquer que seja o canal de comunicação utilizado
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Efeitos de propagação: Atenuação
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Sinais analógicos vs. digitais
• Vantagens da comunicação digital:– Mais robusto a erros de transmissão– Pode eliminar-se a distorção entre fonte e receptor
voltage
digital signal
time
analogue signal
time
voltage
time
voltage
analogue signal + noise
time
voltage
digital signal + noise
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Sinais analógicos vs. digitais
• Vantagens da comunicação digital:– Pode reconstruir-se sinais parcialmente destruídos– Pode facilmente corrigir-se erros de transmissão– Pode facilmente encriptar-se as mensagens– Pode facilmente comprimir mensagens
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Exemplos de canais de comunicação
• “Unshielded Twisted Pair” (UTP): pares de cobre entrelaçados revestidos por plástico
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Exemplos de canais de comunicação
• “Shielded Twisted Pair” (STP): pares de cobre entrelaçados revestidos por alumínio
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Exemplos de canais de comunicação
• Cabo Colaxial: dois condutores que partilham o mesmo eixo, centro axial sólido revestido pelosegundo condutor
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Largura de Banda
• Capacidade de transporte de informação de um canal de comunicação (ciclos/segundo-1)
• Medido tipicamente em bits/segundo (e.g. redesEthernet têm 10 Mbps de largura de banda)
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Fibras ópticas
• Lâminas muito finas de vidro• Transmitem laser por meio de reflexão total
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Fibras ópticas
• Fraca atenuação com a distancia• Elevada largura de banda• Dispersão da luz:
– Diferentes particulas de luzviajam por caminhos comtamanhos diferentes. Os pulsosde luz podem misturar-se
Wavelength (microns)
1.55μband
1.30μband
0.80μband
Attenuation (dB/Km)
0.5
1.0
1.5
2.0
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Redes de fibras ópticas
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Comparativo de canais com fios
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Comunicações sem fios
• Utilizam a atmosfera para conduzir o sinal• Tipos principais:
– Ondas de rádio– Micro-ondas (“satélites”)– Infra-vermelhos
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Comunicações rádio
Baixa frequência Alta frequência
Para comunicar é necessário obter uma licença do regulador
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Micro-ondas
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Micro-ondas
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Micro-ondas
• Principais bandas utilizadas com satélites
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Aumentar a capacidade de transmissão dos canais
• Combinar vários sinais no mesmo meio de comunicação com possibilidade de distinçãoentre eles por parte do receptor
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Multiplexagem
• Combinar a informação de várias fontes de dados num só canal
• Tipos de multiplexagem:– Divisão na frequência (FDM)– Divisão no tempo (TDM)– Divisão no código (CDM)
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Divisão na frequência (FDM)
• O espectro da largura de banda é dividido emcanais lógicos e cadaconversa ocorre num canal dedicado (e.g. estações de rádio)
• A capacidade do sistemaé definida pela margemde segurança necessáriaentre os canais
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Wavelength DivisionMultiplexing (WDM)
• Em fibras ópticas cadacanal tem um comprimentode onda diferente
• Cada utilizador usa umacor diferente
• As cores são naturalmentemisturadas e separadasatravés de prismas
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Wavelength DivisionMultiplexing (WDM)
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Divisão no tempo (TDM)
• A cada utilizador éatribuído um “slot” no tempo para transmitir
• Todos os utilizadoresusam o meio em“round robin”
• Se um utilizador nãodesejar transmitirpode passar-se aopróximo
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Sistemas combinados
• A largura de banda de um canal de comunicação podeainda ser aumentada porexemplo utilizando FDM sobre TDM
• É atribuido um “slot” a cada grupo de utilizadores. Dentro desse “slot” cadautilizador do grupo tem associada uma frequência
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Exemplos de Aplicação:Tecnologias de rede local com fios
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Exemplos de Aplicação:Tecnologias de rede local com fios
λ1λ2
λ3
λ4 λ5
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Nível Data Link (osi 2)
• Responsável pela comunicação eficiente e fiável sobreo nível físico, através da transmissão correcta de “frames” (sequências de bits):– Sincronização de frames:
• Identificação clara dos limites das “frames”
– Controlo de fluxo:• Garantir que a fonte transmite a uma velocidade
que o receptor pode processar
– Controlo de erros:• Detectar e corrigir erros nas transmissões
– Endereçamento:• Identificar as máquinas envolvidas na comunicação
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Sincronização de “frames”
• Traduzir as sequências de bits do nível físico paragrupos de bits com significado (“frames”)
• Principal problema: identificar as fronteiras(início e fim) das “frames”
• Métodos para o fazer:– Contagem do tamanho das “frames”– Preenchimento de bits (bit stuffing)– Codificação por pulsos
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Contagem do tamanho das frames
• Grande desvantagem: se a indicação do tamanho éincorrectamente transmitida perde-se por completoa sincronização entre emissor e receptor
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“Bit-stuffing”
• Delimitar as “frames” através de uma “flag”:
• Problema: garantir que a “flag” delimitadora não aparece nos dados a transmitir
• Algoritmo utilizado:– Fonte insere 0 depois de cinco 1s consecutivos nos dados– O Receptor verifica se recebe cinco 1s seguidos e:
• Se o próximo bit for 0, remove este bit• Se os próximos bits forem 10, detecta-se a “flag”• Se os próximos bits forem 11, detecta-se um erro
Data01111110 01111110
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“Bit-stuffing”: exemplo
• Dados a transmitir:
• Após “stuffing” e “framing”:
• Operação do receptor (sempre depois de cinco 1s):
“flag” “de-stuffing” “flag”
0110111111111100
01101111101111100001111110 01111110
01101111101111100001111110 01111110
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Contagem do tamanho das frames
• Representar 1 por um pulso negativo, representar 0 porum pulso positivo. Representar o inicio e o fim das“frames” por manutenção do pulso
• Vantagem: não necessita de banda para “stuffing”
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Controlo de erros
• A transmissão de “frames” pode sofrer dois tiposde erros: “frames” perdidas ou “frames”recebidas mas com bits trocados
• Métodos para controlo de erros:– “Acknowledgements”– Temporizadores– Números de sequência
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“Acknowledgements”
• O receptor envia uma mensagem de controlo para o emissor quando recebe correctamente as “frames”
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Temporizadores
• Ainda assim, uma “frame” perdida tem de ser re-enviada, o que acontece quando um temporizadorexpira
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Números de sequência
• O sistema com re-transmissão de “frames” podetransmitir a mesma “frame” mais do que uma vez peloque as “frames” são identificadas com um número de ordem
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Detecção e correcção de erros
• Método mais simples de detecção de erros por paridade:
• Exemplo de paridade “par”
• Se o receptor receber uma “frame” com um número ímparde 1s então certamente ocorreu um erro na transmissão
010011101 1
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Detecção e correcção de erros
• Paridade por blocos (método mais eficaz)
1010111010001010010100111111100010001010101010000100100100010101
1010111010001010010100111111100010001010101010000100100100010101
11011111
11110001 1
1010111010000010010100111111100010001010101010000100100100010101
11011111
11110001 1
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Controlo de fluxo
• Os protocolos de controlo de fluxopermitem que os receptores dasmensagens informem os emissores sobrecomo adaptar a velocidade de transmissão
• Método mais simples: stop-and-wait:– O emissor só envia mais “frames” depois
de receber “acknowledgment” de todas as “frames” previamente enviadas
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Eficiência do “Stop-and-wait”
• t_prop: tempo de propagação• t_frame: tempo para transmissão• (t_ack): tempo para transmissão do ACK• Ignorando t_ack (tipicamente reduzido):
– Tempo total: 2*t_prop + t_frame– Eficiência: E=t_frame/(tempo_total)
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Eficiência do “Stop-and-wait”
• Exemplo #1: Canal com 4 Kbps e um atraso de propagação de 20 ms. Qual o tamanho das “frames”para garantir uma eficiência de pelo menos 50%?
• Resposta:– E=0.5=t_frame/(t_frame + 2*t_prop)– t_frame=2*t_prop=2*20 ms = 40 ms– Tamanho da “frame” = R×t_frame– Tamanho da “frame” = 4×103×40×10-3=160 bits
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Eficiência do “Stop-and-wait”
• Exemplo #2: Um laboratório tem 200 computadores ligados numa rede de R=10Mbps com tamanho de d=1500m. As “frames” têm L=800 bits. A velocidade de propagação neste meio é de V=2×108 m/s. Quantas “frames” pode cadacomputador transmitir por segundo?
• Resposta:– t_prop/t_frame = (d/V) /(L/R)=107×1500/800×2×108
– E=1/(1+2*t_prop/t_frame)=0.84– #frames=E×R/L=0.84*10×106/800=10500 frames/s– #frames/computador=10500/200=525 frames/s
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Protocolos de janelas deslizantes
• Melhor protocolo para transmitir mensagem em redes de computadores:– Garante fiabilidade
através de acknowledges e timeouts
– Garante ordem correctadas mensagens
– Garante controlo de fluxo
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Nível de Rede (osi 3)
• Responsável por:– Encaminhamento de pacotes– Controlo de congestionamento– Interligação entre diferentes redes
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Encaminhamento de pacotes
• Os pacotes de informação devem partir do emissor e chegar ao receptor através de nósintermédios que os encaminham (“routers”)
• O encaminhamento de pacotes pode ser realizadosob uma de duas formas:– Circuitos virtuais– “Datagrams”
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Circuitos virtuaisLigação “Connection – Oriented”
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Circuitos virtuais
• É utilizado um caminho estabelecidoà partida
• Ainda assim, ospacotes têm de esperar nos “routers”
• Garante que ospacotes são entreguesao receptor na ordemcorrecta
• Útil paraconversasões longas
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Encaminhamento de “datagrams”
• Cara pacote éencaminhadoindependentemente
• Não necessita de pré-definir o caminho
• Rede mais flexívelpara resposta a falhas e ataques
• Não é garantido queos pacotes cheruem aoreceptor pela ordemcorrecta
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Comparação
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Estratégias de encaminhamento
• Encaminhamento fixo:– todos os routers têm a mesma tabela
• Vantagem:– Simples
• Desvantagem:– Não é flexível
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Encaminhamento pelo caminho mais curto
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Encaminhamento adaptativo
• Estratégias de encaminhamento dinâmico que reajem àsmudanças e às condições oferecidas pela rede
• Estas estratégias:– São mais complexas– Requerem mais processamento nos “routers”
• Principalmente requerem que o estado da rede seja transmitido entre os seus nós, aumentando portanto o tráfego que deve ser transmitido
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Encaminhamento adaptativo
• Dois métodos para encaminhamento dinâmico:– “Distance Vector Routing”
• Cada “router” troca as sua tabela de encaminhamento com os “routers” vizinhos periodicamente
• Cria bastante tráfego adicional na rede e as tabelas podem ficar facilmente desactualizadas
– “Link State Routing”• Cada “router” envia para todos os “routers” a sua tabela de
encaminhamento quando entra na rede• Cada “router” comunica aos outros “routers” quaisquer
alterações que existam na sua tabela de encaminhamento
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Nível de rede: o nível IP
• IP: Internet Protocol, desenvolvido em 1973:– Define o tipo de “datagrams”
a utilizar na Internet– Define a forma como os
“datagrams” são transmitidos– Define o espaço de
endereçamento na Internet
Vint Cerf, Chairman ICANN
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Datagram IP (cabeçalho)
Versão de IPTamanhoDatagram
Tempo de vidado datagram Endereço da
máquina deorigem
Endereço damáquina de
chegada
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Nível de rede: o nível IP
• Equipamento que ao longo da redetransmite os pacotes de informação
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Estrutura da rede IP
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O Border Gateway Protocol (BGP)
• Permite aosISPs trocarinformação sobrea estrutura darede, tipicamentesobre acordos de interligação
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Espaço de endereçamento IP
• Cada interface de uma máquina ligada à Internet possuí um endereço IP
• Endereço IP tem tipicamente 32 bits e é da forma AAA.BBB.CCC.DDD (eg. 192.136.1.252)
• O endereço IP identifica:– A sub-rede onde a interface se liga– A máquina específica dessa interface
• Os endereços IP são um recurso escasso!• Os endereços IP são atribuídos por classes
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 104
Classes de endereços IP
Poucas redesmuito grandes(256 redes)
Muitas redesmais pequenas(256 máquinas)
65000máquinas
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 105
Mobile IP
• Objectivo: permitir mobilidade às interfaces• Critérios para o desenho da solução:
– Cada máquina deve poder usar o seu endereço IP tradicional mesmo estando fora da rede habitual
– O “software” dos routers não deve ser alterado, nomeadamente na operação das máquinas fixas
– Não deve haver sobrecarga quando a máquina se encontra ligada à rede habitual
– Os pacotes para máquinas fora da rede habitual devem seguir ao máximo o caminho mais directo
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 106
Componentes do Mobile IP
Rede habitualda máquina
Router na redehabitual utilizadopara fornecermobilidade
Nova redeonde amáquinaaparece
Routerna novarede quefornecemobilidade
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Funcionamento do Mobile IP
Indicaçãoexplícitado novoagente de rede
Home agentsabe que amáquina mudou-separa a rede doForeign agentO emissor
estabeleceum túneldirectamentepara a novalocalizaçãodo máquina
Pacote enviadopara o endereçotípico da máquina
É apenas necessário que quando a nova máquina se regista na nova redeo foreign agent indique o home agent que sabe onde a máquina se encontra
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 108
Nível de Transporte (osi 4)• Responsável por:
– Encaminhamento de pacotes fim-a-fim– Simula uma ligação directa emissor-receptor– Nível visível aos “developers” de aplicações
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 109
Facilidade de utilização• Os níveis mais baixos do modelo OSI são
transparentes ao nível de transporte• Ao nível do desenvolvimento das aplicações a
operação é extremamente simples:
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 110
Facilidade de utilização
Transport
Network
Data Link
Socket interface
AP
Node
Application
Creates a new end point; allocates table space for it within the transport layer (pp. 487-492)
Identification of application (port #)
Identifies the node
Frames
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 111
Protocolos de Transporte:Modelo TCP/IP
TCP, UDP
IP
WWW (HTTP)
ADSL CABO SATÉLITE
Wi-Fi
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 112
TCP vs. UDP
• TCP: Transmission Control Protocol:– “Connection-oriented”– Fiável, sem erros de transmissão, com controlo de fluxo
• UDP: User Datagram Protocol:– “Connectionless”– Sem garantias de fiabilidade, sem controlo de fluxo– Útil para transmissões onde a entrega atempada da informação é
mais importante que a sua correcção (eg. Video, Audio)
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 113
Tarefas fundamentais do TCP
• Estabelecimento de uma sessão fim-a-fim paratransmissão fiável de dados
• Garantir que os pacotes são correctamenteentregues entre a fonte e o destino
• Cada pacote é entregue uma única vez e naordem correcta
• Resultado:– O modelo TCP/IP empresta alguma qualidade à
fraca performance “BEST-EFFORT” da Internet
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 114
Protocolo TCP
• Cabeçalho do TCP:– Sequence number– Acknowledge number– Window size
• Principais características:– Controlo de fluxo – Controlo de congestionamento
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 115
Controlo de fluxo vs.Controlo de congestionamento
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 116
Curva de performance da rede
Pacotes começam a ficarnas filas de espera dos “routers”
A retransmissão de pacotesleva ao colapso total
Primeiras versões de TCP/IP (Postel, 1981)não implementavam controlo de congestionamentoe a Internet colapsou drásticamente em 1986
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 117
Controlo de congestionamento (TCP)Janela de transmissão é aumentada de 1 porcada pacote correctamente entregue ao receptoraté se atingir um nível pré-definido ou verificar-seperda de pacotes, caso em que a janela reduz-separa metade e passa a crescer linearmente
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 118
Sessão típica de TCP/IP
Crescimento exponencial inicial
Congestão atingida(reduz janela para metade)
Incremento aditivo(segunda fase)
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 119
Controlo de congestionamento (TCP)TCP é um protocolo Additive Increase Mutliplicative DecreaseTCP é um protocolo que converge para alocações eficientes e justas
Linha de eficiência: R1 + R2 = 100%
Linha de justiça: R1 = R2
R1
R2
Objectivo
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 120
Controlo de congestionamento (TCP)TCP é um protocolo Additive Increase (AI) Mutliplicative Decrease (MD)TCP é um protocolo que converge para alocações eficientes e justas
Injustiça: R1 > R2
R1
R2
CongestãoMD: janela/2
Injustiça: R2 > R1Sem congestãoAI: janela+1
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 121
Controlo de congestionamento (TCP)TCP é um protocolo Additive Increase Mutliplicative DecreaseTCP é um protocolo que converge para alocações eficientes e justas
X0
X1
X2
X3
X4
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 122
Controlo de congestionamento (TCP)TCP é um protocolo Additive Increase Mutliplicative DecreaseTCP é um protocolo que converge para alocações eficientes e justas
X0
X1
X2
X3
X4
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 123
Próxima Sessão
Indústria dasTelecomunicações
O FuturoPróximo
Caracterizaçãodo estado actual
(Portugal, EU, EUA)PerspectivaHistórica
Conceitos fundamentais:Economias de escala
Externalidades de rede
Principais tendências:Convergência tecnológicaTecnologias emergentes
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 124
Mestrado em Engenhariae Gestão da Tecnologia
Pedro M. [email protected]
Políticas de telecomunicações e estrutura da indústria: perspectiva histórica
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 125
Alguns conceitos fundamentais de economia aplicados a redes de computadores
• Curvas de procura e de oferta• Cálculo de receitas e custos• Mercados em equilíbrio• Ineficiência dos mercados
• Tecnologias com economias de escala• Tecnologias com externalidades de rede• Monopólios naturais
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 126
Curva de procura
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 127
Curva de oferta
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 128
Mercado em equilíbrio
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 129
Receitas, custos e valor
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 130
Ineficiência do mercado
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 131
Preço de um monopolista
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 132
Custos marginais
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 133
Custos médios
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 134
Economias de escala
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 135
Economias de escala
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 136
Monopólio natural
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 137
Regular um monopólio natural
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 138
Curva de procura comexternalidades de rede
$
0 1
P=1-s
s
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 139
Curva de procura comexternalidades de rede
$
0 1
P=1-s
P
s
P=(1-s)×s
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 140
Curva de procura comexternalidades de rede
$
0 1
P=1-s
P
s
P=(1-s)×s
MC
EquilíbrioInstável
EquilíbrioEstável
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 141
“Milestones” do desenvolvimento da indústria das telecomunicações nos EUA
• Monopólio Natural da AT&T• Aparecimento de competição a nível global• Separação da AT&T• Terminação de chamadas locais• Aparecimento de competição a nível regional• Modelos de competição local• Problemas encontrados e o fracasso dos CLECs• Tendências dos mercados globais
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 142
Indústria das telecomunicaçõesAnos 60 e 70
Central Office
Toll Office
Toll Office
Central Office
$ $
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 143
Aparecimento de competiçãoao nível global
Central Office
LATA
Toll Office
Toll Office
Central Office
PBX
PBX
Inter-Exchange Carrier
Inter-Exchange Carrier
AT&T
POP POP
MCI
Central Office
LATA
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 144
Algumas formas de regulação
• Regulação tradicional:– Taxa de retorno– Preço de venda– Barreira à entrada
• Regulação estrutural:– Separação das actividades em mercados com
características de monopólio natural das actividades em mercados naturalmente competitivos
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 145
Regulação de taxa de retorno e/ou preços
• Taxa de retorno:– Aprovisionamento do serviço: C $– Preço de venda do serviço: P $– Número de períodos de análise: N– Taxa de retorno média por período: r
• P=C(1+r)N
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 146
Regulação de taxa de retorno e/ou preços
• Taxa de retorno com vários produtos:– Despesa Operacional: DO– Quantidade vendida do produto i: Qi– Preço de venda do produto i: Pi– Capital investido: K– Taxa de retorno: r
• Receita = ∑produtos Qi.Pi = DO + r.K
• Regulação: r < r aceitável
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 147
Regulação de taxa de retorno e/ou preços
• Dificuldades:– Qual a verdadeira estrutura de custos (DO)?– Regular taxa de retorno agregada de vários
produtos e serviços permite• “Subsidiação” cruzada (“cross-subsidy”)• Preços a baixo do custo (“predatory pricing”)
• Alternativas:– “Price caps”: um limite superior no preço de cada
produto individualmente (difícil de implementar)– Regulação estrutural
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 148
Regulação estrutural
• Acção (política, legislativa, …):– Segregar as actividades de monopólio natural daquelas
que por natureza não o são
• Objectivos:– Permitir que a competição controle os preços e a qualidade
de serviço nos mercados competitivos– Aplicar regulação no sector do monopolista natural– Impedir que um monopolista natural entre em mercados
competitivos (“cross-subsidy”, “predatoru pricing”)
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 149
Separação da AT&T (74-84):As “Baby Bells”
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 150
Preço de terminação de chamadas
Central Office
LATA
Toll Office
Toll Office
Central Office
PBX
PBX
Inter-Exchange Carrier
Inter-Exchange Carrier
AT&T
POP POP
MCI
Central Office
LATA
$$
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 151
Aparecimento de competiçãoao nível regional (início anos 90)
Central Office
LATA
Toll Office
Toll Office
Central Office
PBX
PBX
Inter-Exchange Carrier
Inter-Exchange Carrier
AT&T
POP POP
MCI
Central Office
LATA
BypassVendor
SpecialAccess
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 152
ilec´s e clec´s
Central Office
LATA
Toll Office
Toll Office
Central Office
PBX
PBX
Inter-Exchange Carrier
Inter-Exchange Carrier
AT&T
POP POP
MCI
Central Office
LATA
BypassVendor
SpecialAccess
Incumbent local exchange carrier
ILEC
Competitive local exchange carrier
CLEC
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 153
Competição ao nível regional:instalação paralela
Central Offices
ServiceProvider A
ServiceProvider B
Home 2
Home 1
Data Link Layer EquipmentATM, Gigabit Ethernet, SONET
Separate Networks
Network 1
Network 2
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 154
Competição ao nível regional:instalação patilhada
Central Office
ServiceProvider A
ServiceProvider B
Home 2
Home 1
Data Link Layer EquipmentNetwork
Unbundled Network Elements (UNEs)
COPPER OPTICAL FIBER
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 155
Telecom Act de 1996
• Objectivos:– abrir à competição o mercado de acesso local à infra-
estruturas de telecomunicações– deixar que, em troca, as “Baby bells” entrem no
mercado “long-distance”Regulatory Boundaries
RegulatedTelecommunications Services
(classification triggers obligations)
UnregulatedInformation Services
X.25, ATM,Frame Relay
transport
POTS/PSTN IP transport Email,Web site hosting,
Instant messaging
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 156
“Competitive Local Exchange Carriers”
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 157
O Fracasso dos clec´s
6072
13582
19653
30.9%LinhasConstruídas
69.1%LinhasRe-utilizadas (UNE)
~12%Total de linhasConsideradas
Fonte: FCC, 2001, Relatório de 94 CLECs
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 158
“Competitive Local Exchange Carriers”
10.2%20.8%6.6%CLEC
89.8%79.2%93.4%ILEC
TOTALGEs, instituições e governo
Residencial e PMEs
Quotas mercado
Fonte: FCC, 2001
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 159
O Mercado “Long-distance”
0102030405060708090
100
1984
1986
1988
1990
1992
1994
1996
1998
AT&TMCIWorldcomSprintOther
Mar
ket
Sha
re
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 160
Inovação tecnológica ao nível da capacidade de transporte
QWEST
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 161
Inovação tecnológica ao nível da capacidade de transporte
LEVEL 3
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 162
Inovação tecnológica ao nível da capacidade de transporte
WILLIAMS CORP.
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 163
Inovação tecnológica ao nível da capacidade de transporte
ENRON BB
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 164
Aplicação da Lei de Mooreà largura de banda
Predicted Monthly Price for Bandwidth links betweenNYC and London for an E-3 line
0102030405060708090
100110120
Jan-99 Apr-99 Aug-99 Nov-99 Mar-00 Jun-00 Oct-00 Jan-01 May-01 Aug-01 Dec-01
Time
Pred
icte
d M
onth
ly P
rice
(Tho
usan
d U
SD)
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 165
Aplicação da Lei de Mooreà largura de banda
Predicted Monthly Price for Bandwidth links betweenNYC and London for January 2000
3
9
15
21
27
5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155 165
Mbps
Pred
icte
d M
onth
ly P
rice
(Tho
usan
d U
SD)
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 166
Aplicação da Lei de Mooreà largura de banda
Reservation Price for Bandwidth Auctions at Band-Xfor an E-3 link and contracts 1 year long
150
300
450
600
750
900
1 501 1001 1501 2001 2501 3001
Order Number of the Contract
Res
erva
tion
Pric
e (T
hous
and
USD
)
Box-Cox Linear
January 2001 January 2002
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 167
Aplicação da Lei de Mooreà largura de banda
Reservation Price for Bandwidth Auctions at Band-X between Jan/2001 and Jan/2002
(for 1 year long contracts)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 145 155 165
Mbps
Res
erva
tion
Pric
e (T
hous
and
USD
)
Box-Cox Log
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 168
Drástica redução dopreço das chamadas
$0.00
$0.04
$0.08
$0.12
$0.16
$0.20
$0.24
$0.28
$0.32
1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 20000%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Price (Current $) Price (Constant $)
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 169
Redução do preço ainda mais drástica:Voz sobre IP
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 170
Redução do preço ainda mais drástica:Voz sobre IP
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 171
Desenvolvimento paralelo das redes de comunicações de dados
• Desenvolvimento da Internet• NSFNET e NAPs• Passagem para o domínio comercial• O advento da World Wide Web• Acordos de interligação entre ISPs• A estrutura da Internet
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 172
ARPANET, DOD, 1969
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 173
NSFNET, 1971
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 174
NSFNET backbone, 1985
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 175
Pontos de interligação(financiamento NSF )
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 176
“Network Access Points” (NAPs)
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 177
Tráfego na NSFNET aquando da passagem para o domínio comercial
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 178
A explosão do númerode utilizadores
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 179
O advento da World Wide Web
HTTP
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 180
O advento da World Wide Web
Wassily KandinskyComposition VIII
1923
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 181
O advento da World Wide Web
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 182
Taxas de penetração do uso da Internet
Novembro 2005 (fonte: cypherbit)
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 183
Cada país, uma realidade:O caso de Portugal
Nível de instrução Escalões etários
Até ao 3ºCiclo (Ens. básico) Ensino Secundário Ensino Superior
50% 89% 94% 16-24 anos
931.491 376.950 46.693
13% 70% 90% 25-54 anos
3.185.834 662.015 556.218
1% 22% 51% 55-74 anos
1.910.916 87.772 115.807
Sub-totais: população 6.028.241 1.126.737 718.718
Fonte: INE, Censos 2001 e Inquérito à Utilização de Tecnologias da Informação e da Comunicação pelas Famílias 2004.
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 184
Acordos de Interligação:Peering
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 185
Acordos de Interligação:Transit
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 186
Acordos de Interligação:Transit
ISP
ISP
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 187
Acordos de Interligação entre “Internet Service Providers”
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 188
Estrutura da Internet
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 189
As tecnologias de informação e comunicação em Portugal
ANACOM, 2005
53,7%
46,3%
Por via telefonePor via cabo
46,5%
53,5%
Tem computadorNão tem computador
70,2%
29,8%
Tem internetNão tem internet
4,0%
37,9%
58,1%
Tem banda largaTem banda estreitaDesconhece o tipo de Ligação
Posse de Computador: Posse de Internet: Posse de Banda Larga: Tipo de Ligação Banda Larga:
(base: 4711- total dos inquiridos)
(base: 1354 - tem internet) (base: 794 - tem banda larga)(base: 4711- total dos inquiridos)
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 190
As tecnologias de informação e comunicação em Portugal
0,9%
1,6%
2,5%
9,7%
13,5%
27,8%
41,5%
Sem opinião
Outra razão
Tem no emprego
Não tem computador
Preço elevado
Não precisa
Não tem interesse nisso
ANACOM, 2005
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 191
As tecnologias de informação e comunicação em Portugal
92,9% 7,1%
35,1% 64,9%
43,7% 56,3%
45,4% 54,6%
30,7% 69,3%
80,2% 19,8%
75,2% 24,8%
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Estudo ou investigação
Entrega de declarações de impostos
Pagamentos
Movimentações de contas bancárias
Compras
Divertimento
Download de música ou jogos
SimNão
ANACOM, 2005
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 192
As tecnologias de informação e comunicação em Portugal
22,0%
14,2%
9,4%
8,1%
3,7%
2,2%
22,7%
53,2%
64,9%
Clix
IOL
Novisnet
Cabovisão
Pt/Telepac
Netcabo
Sapo
ANACOM, 2005
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 193
Alternativas ao níveldo lacete local
• WiMax (5.8 GHz)– mobile wireless com acesso até (?)20 km– 1.5 Mbps
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 194
Alternativas ao níveldo lacete local
• Fixed Wireless Access (FWA):– Utilização de tecnologia via rádio (3500 Hz)– Transmissão até alguns Mbps (“Triple play”)
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 195
Inovação ao nível dossistemas de informação
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 196
Inovação ao nível dossistemas de informação
EGEE project: http://gridportal.hep.ph.ic.ac.uk/rtm/running_frame.html
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 197
Bibliografia:Protocolos e Tecnologias
© Pedro Ferreira 2006 MEGT 9 Ed. 2006 198
Bibliografia: Desenvolvimento eestrutura da Internet