Disciplina: Fundamentos de Redes de Computadores Parte 4

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1 Disciplina: Fundamentos de Redes de Computadores Parte 4
Flávia Balbino da Costa

2 2) MODELOS DE REFERÊNCIA
2.1) Arquitetura de Camadas Assim como a arquitetura da Internet, lidamos com sistemas complexos o tempo todo em nosso dia-a-dia. Imagine se alguém pedisse a você que descrevesse, por exemplo, o sistema de uma companhia aérea. Como você encontraria a estrutura para descrever esse sistema complexo que tem agências de emissão de passagens, pessoal para embarcar a bagagem, pilotos, aviões, controle de tráfego aéreo e um sistema mundial de roteamento de aeronaves?

3 Um modo de descrever esse sistema poderia ser apresentar a relação de uma série de ações que você realiza (ou que os outros realizam para você) quando voa por uma empresa aérea.

4 A figura abaixo dividiu a funcionalidade da linha aérea em camadas, provendo uma estrutura com a qual podemos discutir a viagem aérea. Note que cada camada, combinada com as camadas abaixo dela, implementa alguma funcionalidade, algum serviço.

5 Uma arquitetura de camadas nos permite discutir uma parcela específica e bem definida de um sistema grande e complexo. Essa simplificação tem considerável valor intrínseco (inseparavelmente ligado a uma pessoa ou coisa), pois provê modularidade fazendo com que fique muito mais fácil modificar a implementação do serviço prestado pela camada. Contanto que a camada forneça o mesmo serviço para a que está acima dela e use os mesmos serviços da camada abaixo dela, o restante do sistema permanece inalterado quando a sua implementação é modificada.

6 Vantagens para a divisão em camadas:
Padroniza os componentes de redes; Possibilita a comunicação entre tipos diferentes de hardware e de software de rede; Para sistemas grandes e complexos que são atualizados constantemente, a capacitação de modificar a implementação de um serviço sem afetar outros componentes do sistema; Decompõe as comunicações de redes em partes menores, facilitando a aprendizagem e compreensão do funcionamento da rede.

7 Vamos agora voltar nossa atenção a protocolos de rede
Vamos agora voltar nossa atenção a protocolos de rede. Para prover uma estrutura para o projeto de protocolos de rede, projetistas de rede organizam protocolos – e o hardware e o software de rede que implementam os protocolos – em camadas. Cada protocolo pertence a uma das camadas, exatamente como cada função na arquitetura de linha aérea, mostrado nas figuras anteriores, pertencia a uma camada. Cada camada oferece serviços para a camada superior e os protocolos das várias camadas são denominados pilha de protocolos.

8 Nas duas seções a seguir, examinaremos duas importantes arquiteturas de rede:
O modelo de referência OSI; O modelo de referência TCP/IP. Embora os protocolos associados ao modelo OSI raramente sejam usados nos dias de hoje, o modelo em si é de fato bastante geral e ainda válido, e as características descritas em cada camada ainda são muito importantes. O modelo TCP/IP tem características opostas: o modelo propriamente dito não é muito utilizado, mas os protocolos têm uso geral.

9 2.2) Modelo de Referência OSI Esse modelo se baseia em um proposta desenvolvida pelo ISO (International Standards Organization) como um primeiro passo em direção à padronização internacional dos protocolos empregados nas diversas camadas. Ele foi revisto em e é chamado Modelo de Referência ISO OSI (Open Systems Interconnection), pois ele trata da interconexão de sistemas abertos, ou seja, sistemas que estão abertos à comunicação com outros sistemas.

10 Para abreviar, mas denominá-lo simplesmente Modelo OSI.
O modelo OSI tem sete camadas. A seguir um resumo dos princípios aplicados para chegar às sete camadas: Uma camada deve ser criada onde houver necessidade de um grau de abstração adicional. Cada camada deve executar um função bem definida. A função de cada camada deve ser escolhida tendo em vista a definição de protocolos padronizados internacionalmente.

11 Os limites de camadas devem ser escolhidos para minimizar o fluxo de informações pelas interfaces.
O número de camadas deve ser grande o bastante para que funções distintas não precisem ser desnecessariamente colocadas na mesma camada e pequeno o suficiente para que a arquitetura não se torne difícil de controlar.

12 A arquitetura em camadas OSI é uma arquitetura acadêmica (só diz o que cada camada faz), não especifica os serviços e os protocolos exatos que devem ser usados em cada camada, não existe implementação, somente na arquitetura TCP/IP. No entanto, a ISO também produziu padrões para todas as camadas, embora esses padrões não façam parte do próprio modelo de referência. Cada um foi publicado como um padrão internacional distinto.

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14 7 Aplicação Interface com o usuário (softwares) 6 Apresentação Compactação e descompactação (transformação, tradução, criptografia, semântica) de dados 5 Sessão Estabelece a sessão (comunicação, conexão) entre qualquer tipo de Aplicação 4 Transporte Segmentos são trafegados, garantia fim-a-fim. Ex: A o o B usa TCP ou UDP. 3 Rede Pacotes sendo trafegados, Roteamento (Sub-rede), protocolo IP. 2 Enlace ou Link Quadros sendo trafegados, Switch, endereço MAC, detecta erros ponto a ponto. Ex: A o o o o o B 1 Física Bits sendo trafegados, cabos, hubs

15 2.2.1) A camada física A camada física trata da transmissão de bits brutos por um canal de comunicação. É no nível de comunicação física dos circuitos que se compreende as especificações do hardware da rede. O propósito principal da camada física é definir normas para assegurar que quando um computador emissor transmite um bit “1”, o computador receptor verifique que o bit “1” foi recebido e não o bit “0”.

16 A multiplexação é necessária na camada física, onde todo o tráfego correspondente a todas as conexões tem de ser transmitido através de no máximo alguns circuitos físicos. Alguns aspectos relacionados a camada física: voltagem (V), corrente (A), resistência, etc. Componentes da camada física: Passivos – não necessitam de energia elétrica: Patch Panels, cabeamento, conectores. Ativos – Transceivers (convertem uma forma de sinal em outra), repetidores e hubs.

17 2.2.2) A camada de enlace de dados A principal tarefa da camada de enlace de dados é transformar um canal de transmissão bruto em uma linha que pareça livre de erros de transmissão não detectados para a camada de rede. Para realizar esta tarefa, a camada de enlace faz com o que o transmissor divida os dados de entrada em quadros de dados e os transmita sequencialmente. Se o serviço for confiável, o receptor confirmará a recepção correta de cada quadro enviando de volta um quadro de confirmação.

18 Para que uma máquina mais rápida envie dados para uma máquina mais lenta, há o controle de fluxo de dados (buffers) e o tratamento de erros. Esta camada supervisiona a transmissão, confirma o checksum (verificador de erros), endereça e duplica os pacotes e mantém uma cópia de cada pacote até receber a confirmação do próximo ponto do caminho de que o pacote chegou inalterado (detecta erros ponto a ponto).

19 Quatro princípios da camada 2:
Comunica-se com as camadas de nível superior através do Logical Link Control (LLC); Usa uma convenção de endereçamento simples; Usa o enquadramento para organizar ou agrupar os dados; Usa o Media Access Control (MAC) para escolher que computador transmitirá os dados binários, em um grupo onde todos os computadores estejam tentando transmitir ao mesmo tempo.

20 OBSERVAÇÕES: Formato de endereço MAC: hexadecimal Vem na placa de rede e é de fábrica. Para que a máquina de origem descubra o endereço MAC da máquina de destino são usadas tabelas ARP localizadas nos provedores ou backbones (Embratel, Oi, Velox ou Registro BR), através dos roteadores.

21 2. 2. 3) A camada de Rede Controla a operação da sub-rede
2.2.3) A camada de Rede Controla a operação da sub-rede. Determina a maneira como os pacotes são roteados da origem até o destino. Se houver muitos pacotes na sub-rede ao mesmo tempo, eles dividirão o mesmo caminho, provocando gargalos. O controle desse congestionamento também pertence à camada de rede. A qualidade do serviço fornecido (retardo, tempo em trânsito, instabilidade, etc.) também é uma questão da camada de rede.

22 Cabe a camada de rede permitir que redes heterogêneas sejam interconectadas. Esta camada seleciona um caminho para a mensagem. Ela dispõe os dados em pacotes, conta-os e acrescenta um cabeçalho contendo a seqüência de pacotes e o endereço do computador receptor. Controla a comutação e o estabelecimento da rota na criação de uma conexão para troca de informações. Estabelece a conexão lógica entre dois pontos, cuidando do tráfego e roteamento (melhor caminho) dos dados na rede.

23 Protocolos da camada de Rede:
Protocolo Roteado – é o protocolo que pode ser roteado por um roteador. Ex: Apple Talk, DECnet, IPX e IP. Protocolo de Roteamento – é o que efetua o roteamento através da implementação de um algoritmo de roteamento específico. Ex: IGRP, OSPF e RIP.

24 2.2.4) A camada de Transporte A função básica desta camada é aceitar dados da camada acima dela, dividi-los em unidades menores caso necessário, repassar essas unidades à camada de rede e assegurar que todos os fragmentos chegarão corretamente à outra extremidade (garantia fim-a-fim usando os cabeçalhos de mensagens e as mensagens de controle).

25 A camada de transporte também determina que tipo de serviço que deve ser fornecido à camada de Sessão e, em última análise, aos usuários da rede. O tipo de serviço é determinado quando a conexão é estabelecida. Esta camada protege os dados que estão sendo enviados, subdivide-os em segmentos e cria testes checksum (que são somas matemáticas baseadas nos conteúdos dos dados) que possam ser utilizados posteriormente para determinar se os dados foram truncados. Pode também fazer cópias de segurança dos dados.

26 Principais protocolos da camada de transporte:
Protocolo TCP: Orientado para conexão; Confiável; Divide as mensagens enviadas em segmentos; Reagrupa as mensagens na estação de destino; Reenvia tudo o que não foi recebido; Reagrupa as mensagens a partir de segmentos recebidos; Cuida também do controle de fluxo.

27 Protocolo UDP: Sem conexão; Não confiável; Não fornece verificação de software para a entrega da mensagem; Reagrupa as mensagens de entrada; Não usa confirmações; Não fornece controle de fluxo.

28 2.2.5) A camada de Sessão A camada de sessão permite que os usuários de diferentes máquinas estabeleçam sessões entre eles. Uma sessão oferece diversos serviços, inclusive o controle de diálogo (mantendo o controle de quem deve transmitir em cada momento), o gerenciamento de token (impedindo que duas partes tentem executar a mesma operação crítica ao mesmo tempo) e a sincronização (realizando a verificação periódica de transmissões longas para permitir que elas continuem a partir do ponto em que estavam ao ocorrer uma falha).

29 Esta camada abre a comunicação e tem a tarefa de manter a comunicação fluindo entre todos os nós da rede. Ela determina fronteiras para o início e o fim da mensagem e estabelece se a mensagem será enviada em half-duplex ou full- duplex (controle de diálogos).

30 2.2.6) A camada de Apresentação A camada de apresentação está relacionada à sintaxe e à semântica das informações transmitidas. Gerencia estruturas de dados abstratas e permite a definição e o intercâmbio de estruturas de dados de nível mais alto.

31 Em outras palavras, esta camada garante que a mensagem será transmitida em uma linguagem que o computador receptor possa entender, fornecendo conversões de formato ou código, preservando o conteúdo da informação enquanto resolve problemas de diferenças de sintaxe entre o sistema-fonte e o sistema-destino. Traduz a linguagem, se necessário, comprimindo ou mesmo criptografando dados. Acrescenta outro cabeçalho especificando a linguagem, bem como esquemas de criptografia e compressão.

32 2.2.7) A camada de Aplicação A camada de aplicação contém uma série de protocolos comumente necessários para os usuários. Dentre eles temos: HTTP (texto), SMTP e POP (correio eletrônico), FTP (transferência de arquivos), DNS, TELNET, etc. Este nível, dentro do processo de comunicação é representado pelo usuário final. Refere-se aos programas aplicativos que o usuário enxerga, que vão desde os aplicativos de comunicação até os mais tradicionais, existentes para redes de micros e funcionam nesses ambientes integrados.

33 Modelo OSI Modelo TCP/IP
2.3) Modelo de Referência TCP/IP Modelo OSI Modelo TCP/IP 7 Aplicação 6 Apresentação --- 5 Sessão 4 Transporte 3 Rede Inter-Redes ou Internet 2 Enlace Host/Rede ou Interface de Rede 1 Física

34 Quando foram criadas as redes de rádio e satélite, começaram a surgir problemas com os protocolos existentes, o que forçou a criação de uma nova arquitetura de referência. Desse modo, a habilidade para conectar várias redes de maneira uniforme foi um dos principais objetivos do projeto. Essa arquitetura ficou conhecida como Modelo de Referência TCP/IP, graças a seus dois protocolos.

35 2.3.1) A camada Host/Rede ou Camada de Acesso à Rede Abaixo da camada Inter-Redes, encontra-se um grande vácuo. O modelo de referência TCP/IP não especifica muito bem o que acontece ali, exceto o fato de que o host tem de se conectar à rede utilizando algum protocolo para que seja possível enviar pacotes IP. Podemos dizer que os serviços que eram executados nas camadas Física e Enlace, do modelo OSI foram resumidos nesta camada do modelo TCP/IP.

36 2.3.2) A camada Inter-Redes ou Internet Sua tarefa é permitir que os hosts injetem datagramas em qualquer rede e garantir que eles trafeguem independentemente até o destino (talvez em uma rede diferente). Estes datagramas podem até chegar fora de ordem, obrigando as camadas superiores a reorganizá- los. Essa camada está presente na Internet, daí o termo Inter-Redes. Como vimos anteriormente, a Internet é uma rede de redes.

37 A camada Inter-Redes define um formato de datagrama oficial e um protocolo chamado IP (Internet Protocol). A tarefa desta camada é entregar datagramas IP onde eles são necessários. O roteamento de datagramas é uma questão de grande importância nessa camada, assim como a necessidade de evitar o congestionamento. Por esses motivos, é razoável dizer que a função da camada Inter-Redes do Modelo TCP/IP é muito parecida com a da camada de Rede do Modelo OSI.

38 A camada de rede da Internet tem dois componentes principais
A camada de rede da Internet tem dois componentes principais. Um deles é um protocolo que define os campos no datagrama, bem como o modo como os sistemas finais e os roteadores agem nesses campos. Este é o famoso protocolo IP. Existe somente um único protocolo IP, e todos os componentes da Internet que têm uma camada de rede devem executar esse protocolo. O outro componente importante é o protocolo de roteamento que determina as rotas que os datagramas seguem entre origens e destinos.

39 2.3.3) A camada de Transporte A finalidade desta camada é permitir que as entidades pares dos hosts de origem e de destino mantenham uma conversação, exatamente como acontece na camada de transporte do modelo OSI. Dois protocolos fim-a-fim foram definidos: TCP e UDP.

40 2.3.4) A camada de Aplicação O modelo TCP/IP não tem as camadas de Apresentação e Sessão. Como não foi percebida qualquer necessidade, elas não foram incluídas. A experiência com o Modelo OSI demonstrou a correção dessa tese. A camada de Aplicação contém todos os protocolos de nível mais alto vistos na tabela a seguir.

41 Protocolos e redes no modelo TCP/IP

42 2.4) Uma analogia de como funciona as camadas dos modelos quando enviamos um e-mail
O usuário usa um aplicativo de correio eletrônico para digitar a mensagem. No momento do envio estará sendo usada a camada de aplicação. Os caracteres precisam ser compilados para trafegar pela rede. Depois de compilados, os dados são empacotados para serem transportados pela rede. Nesse momento usamos segmentos e asseguramos a confiabilidade da comunicação entre dois hosts.

43 Os dados são colocados em um pacote (OSI) ou datagrama (TCP/IP) que contém um cabeçalho de rede com endereços lógicos de origem e destino. Esses endereços ajudam os dispositivos da rede a enviar os pacotes através da rede por um caminho escolhido. Cada dispositivo da rede deve colocar o pacote dentro de um quadro. O quadro permite a conexão com o próximo dispositivo da rede diretamente conectado no link. Por fim as informações são transformadas em 0 e 1 (bits) e estas são levadas ao meio físico para que possam trafegar até o destino.

44 2.4) Camadas, mensagens, segmentos, datagramas e quadros, Encapsulamento

45 Como vimos anteriormente, comutadores de camada de enlace (switch) e roteadores, ambos são comutadores de pacotes. De modo semelhante a sistemas finais, roteadores e comutadores de camada de enlace não implementam todas as camadas da pilha de protocolos, normalmente implementam apenas as camadas de baixo.

46 Como mostra a figura anterior, comutadores de camada de enlace implementam as camadas 1 e 2; roteadores implementam as camadas 1, 2 e 3. Isso significa, por exemplo, que roteadores da camada de Internet são capazes de implementar o protocolo IP (da camada 3), mas comutadores da camada de enlace não. Veremos mais adiante que, embora não reconheçam endereços IP, comutadores da camada de enlace são capazes de reconhecer endereços da camada 2, tais como endereços da Ethernet.

47 Note que sistemas finais implementam todas as cinco camadas, o que é consistente com a noção de que a arquitetura da Internet concentra sua complexidade na periferia da rede. Nesta figura vemos um importante conceito: encapsulamento. Uma mensagem de camada de aplicação na máquina emissora (M) é passada para a camada de transporte. No caso mais simples, esta pega a mensagem e anexa informações adicionais (denominadas informações de cabeçalho de camada de transporte, Ht) que serão usadas pela camada de transporte do lado receptor.

48 A mensagem de camada de aplicação e as informações de cabeçalho da camada de transporte, juntas, constituem o segmento de camada de transporte, que encapsula a mensagem de camada de transporte. OBS: As informações adicionais podem incluir dados que habilitem a camada de transporte do lado do receptor a entregar a mensagem à aplicação apropriada, além de bits de detecção de erro que permitem que o receptor determine se os bits da mensagem foram modificados em trânsito.

49 A camada de transporte então passa o segmento à camada de rede, que adiciona informações de cabeçalho de camada de rede (Hn), como endereços de sistemas finais de origem e destino, criando um datagrama de camada de rede. Este então é passado para a camada de enlace, que adicionará suas próprias informações de cabeçalho e criará um quadro de camada de enlace.

50 OBS: O processo de encapsulamento pode ser mais complexo do que o descrito acima. Por exemplo, uma mensagem grande pode ser dividida em vários segmentos de camada de transporte (que também podem ser divididos em vários datagramas de camada de rede). Na extremidade receptora, cada segmento deve ser reconstruído a partir dos datagramas que o compõem.

51 Resumo do que venha a ser Encapsulamento:
Para que haja informação, tem que haver origem e destino, através de pacotes. Os dados são empacotados, ou seja, é feito o encapsulamento, antes de serem enviados. O encapsulamento empacota as informações de protocolo necessárias antes do trânsito pela rede. Assim, à medida que o pacote de dados desce pelas camadas do modelo OSI, ele recebe cabeçalhos, trailers e outras informações.

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53 2.5) PDU e SDU PDU – Protocol Data Unit Para que os pacotes trafeguem pela rede, é preciso que cada camada se comunique com a camada par de destino. Essa forma de comunicação é chamada de comunicação ponto a ponto.] Durante esse processo, o protocolo de cada camada troca informações, através do que chamamos de comunicação virtual, e essas informações são chamadas de PDU.

54 PDU da camada de Transporte – Segmento PDU da camada de Rede – Pacote PDU da camada de Enlace – Quadro As demais camadas não possuem PDU. 7 6 5 4 3 2 1 DADOS D D D PDU Segmento PDU Pacote (OSI) ou Datagrama (TCP/IP) CR CT + D D D CE CR CT + D D D PDU Quadro Bits

55 Definimos SDU (Service Data Unit) como sendo os dados do usuário mais o cabeçalho da camada superior.