Modelo em Camadas Arquitetura TCP/IP/Ethernet

Apresentação em tema: "Modelo em Camadas Arquitetura TCP/IP/Ethernet"— Transcrição da apresentação:

1 Modelo em Camadas Arquitetura TCP/IP/Ethernet
Edgard Jamhour O objetivo deste módulo é apresentar uma visão geral de como os protocolos de redes de computadores são estruturados em camadas.

2 Ethernet não-Comutada (CSMA-CD)
A Ethernet não-comutada baseia-se no princípio de comunicação com broadcast físico. meio compartilhado ou barramento a b DADOS (até 1500 bytes) CRC TIPO a b c Na Ethernet não-comutada, apenas um computador pode ter acesso ao meio de cada vez. Se mais de um computador efetuar a transmissão ao mesmo tempo, os dados transmitidos serão sobrepostos, e os quadros chegarão com defeito ao seus destinatários. A fim de evitar que dois ou mais computadores transmitam ao mesmo tempo, o Ethernet emprega uma técnica de controle de acesso ao meio descentralizada denominada CSMA/CD. A técnica é dita descentralizada pois ela consiste em um algoritmo que roda de forma independente em cada um dos computadores da rede, sem o auxílio de uma entidade central. A sigla CSMA/CD significa: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection. O CSMA/CD será estudado com mais detalhes no curso, mas para o momento, iremos descrever seu funcionamento de forma simplificada, com segue: 1) Todos os computadores deve escutar o meio antes de transmitir; 2) Se o meio estiver ocupado, os quadros são armazenados em filas de espera internas no computador. Quando o meio está desocupado, os computadores podem transmitir; 3) Durante a transmissão de um quadro, o emissor deve continuamente comparar os dados enviados com os presentes no barramento. Quando dois ou mais computadores enviam quadros simultaneamente ao barramento, os níveis de tensão observados no barramento diferem da representação lógica dos bits do quadro original, permitindo ao computador detectar a ocorrência de uma colisão. 4) No caso de colisão, o quadro precisa ser transmitido novamente. transmitindo escutando escutando Quadros em espera

3 Endereço MAC ou Físico O padrão IEEE 802 define o padrão de endereçamento MAC, administrados localmente ou universais. UNICAST (interface de rede) BROADCAST (ff:ff:ff:ff:ff:ff:ff) MULTICAST (01:00:5e:00:00:00) Sistema Operacional INTERRUPÇÃO Interface de Rede MAC DEST ORIG DADOS CRC Os endereços MAC (6 bytes) são bem maiores que os endereços IP (4 bytes). Apesar do tamanho, os endereços MAC não tem relação com a topologia da rede, como os endereços IP. Na verdade, sua relação é com o fabricante da interface de rede. As interfaces de rede, presentes no computador já vem com um endereço MAC pré-definido, formado pelo código do fabricante seguido de um número de série. Muitos drivers de interface de rede permitem alterar o endereço MAC. Se o usuário não quiser correr o risco de entrar em conflito com o endereço MAC de algum outro computador de sua rede, ele deve tomar o cuidado de utilizar a faixa de endereços dita: administrada localmente. Os casos onde a administração local dos endereços é necessária ou vantajosa é absolutamente rara. Nenhuma aplicação de usuário utiliza o endereço MAC para endereçar outro computador. A forma de endereçar os computadores, na arquitetura TCP/IP é sempre feita utilizando-se o endereço IP. Cabe ao próprio sistema operacional do transmissor descobrir o endereço MAC do destinatário antes de fazer o encapsulamento de um pacote dentro de um quadro.

4 HUB ou Concentrador Hubs ou concentradores são dispositivos que simulam internamente a construção dos barramentos físicos. HUB 1 2 3 c a c a c a A primeira evolução da Ethernet não comutada aconteceu pela introdução dos dispositivos de rede denominados HUBS. A introdução dos HUBS permitiu a substituição dos cabos Ethernet, inicialmente do tipo coaxial, para o tipo par trançado. É importante destacar que o HUB não apresenta ganhos em termos de desempenho para rede, pois ele continua a operar segundo o princípio do broadcast físico, isto é, um quadro recebido em uma das portas do HUB é retransmitido para todas as demais portas independentemente do endereço de destino. O ganho conseguido pela introdução do HUB foi uma conectividade mais fácil. No modelo de cabo coaxial, qualquer abertura do barramento implicava em interrupção em toda a rede devido a problemas de reflexão de sinal causadas pelo casamento de impedância. No HUB, é possível inserir e remover computadores sem prejuízo na comunicação dos demais computadores. O HUB também aumenta a distância máxima entre os computadores pois ele funciona como um repetidor, compensando as perdas no nível do sinal devido a atenuação introduzida pelo par trançado quando o quadro é retransmitido de uma porta para outra. b a c

5 Ethernet Comutada A utilização de switches permite colocar o Ethernet em modo comutado. Estado inicial switch 1 2 3 PORTA ENDEREÇO (2) c a ... (2) c a ... (1) c a ... Após a transmissão de A a b c PORTA 1 ENDEREÇO a Após a transmissão de C switch PORTA 1 3 ENDEREÇO a c 1 2 3 O switch Ethernet é um equipamento de comutação que permite encaminhar o quadro recebido em uma porta apenas para a onde o computador de destino está conectado. Para realizar a operação de encaminhamento, o switch mantém em memória uma tabela que indica o endereço dos computadores conectados em cada uma de suas portas. O processo de preenchimento da tabela de encaminhamento é totalmente automático. O switch Ethernet opera de modo transparente para os computadores da rede. Isto é, não é necessário fazer nenhuma alteração ou configuração nos computadores para que eles passem a operar com o switch. De fato, para os computadores, a intermediação feita pelo switch é totalmente transparente. Conforme mostra a figura, inicialmente, a tabela de encaminhamento está vazia. Quando o computador A envia um quadro para o computador C, o switch interpreta o quadro e tenta localizar em que porta o computador C está localizado. Como ele não consegue, o quadro é enviado para todas as portas do switch, em uma operação idêntica a realizada pelo HUB. Ao interpretar o endereço de origem do quadro, o switch apreende que o computador A está na porta 1. Dessa forma, uma eventual resposta do computador C para A é enviada apenas para porta 1. De forma similar, ao encaminhar o quadro oriundo do computador C, o switch aprende que o computador C está na porta C. (4) A C ... (3) A C ... a b c

6 Tabela de Encaminhamento
Domínios de Colisão Cada porta do switch define um domínio de colisão. Isto é, só é possível haver colisão entre os computadores conectados a uma mesma porta. switch 1 2 3 hub hub Inicialmente, o preço dos switches Ethernet era bastante elevado, tornando-se inviável conectar apenas um computador em cada porta do switch. Assim, uma estratégia comum consistia em conectar vários computadores em uma única porta, utilizando HUBS. Cada porta do switch constitui em um domínio de colisão isolado. Isto é, só é possível haver colisão entre computadores conectados a uma mesma porta. Internamente, o switch possui uma matriz de comutação de capacidade elevada, que permite realizar múltiplas transmissões em paralelo. Como um computador só concorre pelo direito de acesso ao meio com os computadores conectado a mesma porta do switch, o ganho de desempenho para rede é bastante elevado. Ao contrário dos HUBS, os switches permitem realizar conversões de velocidade. Por exemplo, o computador na porta 3 pode ser um servidor operando a 100Mbps, enquanto que os computadores na porta 1 operam em apenas 10 Mbps. Observe que a tabela de encaminhamento do switch pode possuir múltiplos computadores associados a cada uma de suas entradas. Tabela de Encaminhamento a b c d e f g PORTA 1 2 3 ENDEREÇO a,b,c d,e,f g

7 Cascateamento de Switches
Apesar de melhorar significativamente o desempenho da rede, os Switches ainda apresentam limitação de escala. switch 5 PORTA 1 2 3 4 ENDEREÇO d,e,f,g,h,i a b c 1 2 3 4 Switch 1 a b c switch PORTA 1 2 3 4 5 ENDEREÇO a,b,c d e f g,h,i 1 5 2 3 4 Switch 2 e e f Atualmente, a maioria dos switches Ethernet disponíveis no mercado possuem 12 ou 24 portas. Para criar redes maiores, é possível conectar os switches em cascata. Existem várias maneiras de cascatear switches. A maneira indicada na figura é uma das mais simples. Apesar dos switches melhorarem significativamente o desempenho de uma rede Ethernet, a rede não pode crescer indefinidamente utilizando apenas essa tecnologia. Se observarmos as tabelas de encaminhamento dos switches, observamos que cada switch precisa conhecer a posição de cada um dos computadores nos demais switches. Isso significa que se criarmos uma rede Ethernet com 1000 computadores, teremos 1000 endereços físicos alocados nas tabelas de encaminhamento. Do ponto de vista da organização da rede, todos os switches em cascada constituem uma única LAN. Fica claro que construir uma rede do tamanho da Internet (que possui atualmente 500 milhões de computadores com endereços únicos) utilizando somente a tecnologia Ethernet é inviável. switch PORTA 2 3 4 5 ENDEREÇO g h i a,b,c,d,e,f 5 1 2 3 4 Switch 3 g h i

8 Arquitetura Internet (WAN)
A introdução do equipamento roteador determina a arquitetura WAN. rede 2 rede 1 LAN LAN Roteador A Roteador B switch 1 2 1 2 switch WAN 3 3 2 3 Roteador C rede 3 LAN 1 Afim de construir redes maiores, adota-se uma arquitetura denominada WAN (Wide Area Network). A Internet segue essa arquitetura. Uma rede WAN é forma pela interconexão de várias redes LAN, utilizando-se um outro tipo de dispositivo de rede denominado roteador. O roteador utiliza uma estratégia de encaminhamento bastante diferente da do switch. Ao invés de associar os endereços dos computadores as suas portas, o roteador associa identificadores de rede que representam uma LAN. As tabelas dos roteadores são denominadas “tabelas de roteamento”. A figura ilustra a estrutura da tabela de roteamento correspondente ao roteador 3. Como veremos mais adiante, a tabela de roteamento necessita de mais algumas colunas de informação omitidas na figura. A grande vantagem dessa estratégia é que a quantidade de entradas na tabela de roteamento é contada em redes, e não em computadores. Por exemplo, a Internet atual conta com 500 milhões de computadores, mas com “apenas” 300 mil redes. Os endereços físicos definidos pelo protocolo Ethernet não possuem identificador de rede. A fim de suportar a identificação das redes um outro tipo de endereço é necessário: o endereço IP. switch LAN Tabela de Roteamento Rede Rede 3 Rede 1 Rede 2 PORTA C.1 C.2 C.3 NEXT HOP C.1 A.3 B.3

9 Quadro e Pacote Pacotes são transportados no campo de dados dos quadros. Os pacotes IP são definidos pelo tipo 0x800. QUADRO PACOTE DESTINO ORIGEM TIPO 0x800 ORIGEM DESTINO DADOS CRC ENDEREÇO FÍSICO: definem o fabricante ENDEREÇO DE REDE: definem a posição Assim como o Ethernet, o protocolo IP define uma unidade básica para transporte de informações, denominada pacote. Assim como o quadro Ethernet, o pacote é constituído por um cabeçalho e um campo de dados. O cabeçalho inclui campos para transporte dos endereços IP de origem e destino, e de outras informações utilizadas no processo envio das informações pelos roteadores. É importante destacar que os protocolos Ethernet e IP trabalham de forma cooperada, pois, de fato, os pacotes são transmitidos no interior dos quadros. A distinção entre quadro e pacote nem sempre é clara na literatura, pois algumas vezes é possível encontrar denominações como “pacote Ethernet”. No nosso curso, todavia, o termo quadro será usada para a designar a estrutura completa e o termo pacote, apenas para a estrutura definida pelo IP, conforme indicado na figura.

10 Endereço de Rede O agrupamento de computadores em rede permite reduzir a quantidade de informações na memória do roteador. REDE /8 se envie para x se envie para y SWITCH a b c x Roteador z m Roteador REDE /8 y SWITCH Como vimos, um endereço IP define um computador e ao mesmo tempo a rede ao qual ele pertence. A estruturação do IP define que todos os computadores em um mesma LAN possuem o mesmo identificador de rede. Computadores localizados em LANs distintas possuem necessariamente identificadores de rede distintos. Um roteador pode ser considerado como um computador com múltiplos adaptadores de rede. Isto é, cada porta de um roteador possui, de fato, um endereço físico. Em um pacote, os endereços de origem e destino necessariamente identificam o transmissor e o receptor do pacote. Numa WAN, contudo, o endereço físico, nem sempre identifica um computador. De fato, o endereço físico identifica apenas as entidades envolvidas em um trecho da comunicação. Esse trecho da comunicação é comumente chamado de enlace. Por exemplo, quando o pacote está sendo transportado entre dois roteadores, os endereços físicos indicam as portas nos roteadores de origem e destino. Quando o pacote é enviado pelo roteador ao seu destino final, os endereços físicos indicam a porta do roteador e o computador que vai receber a mensagem. z m d e f e y

11 Conexão de redes com tecnologia diferentes
O endereçamento dos quadros é local ao enlace e o endereçamento do pacote é fim a fim. 1 3 2 O encapuslamento do quadro mude de acordo com o meio físico O pacote independe da tecnologia Ethernet PPP Token- Ring A relação entre quadro e pacote também garante a independência do protocolo IP em relação as tecnologias de transmissão. A figura acima ilustra um cenário onde este conceito é aplicado. Um quadro é criado na LAN1 e enviado para LAN2. A tecnologia da LAN1 é o Ethernet. Ao chegar no roteador 1, o pacote IP contido no quadro Ethernet é copiado, e inserido em outro quadro, conforme a tecnologia de transmissão adotada no enlace entre os dois roteadores, que pode ser, por exemplo, ATM. Ao chegar no roteador 2, o pacote IP é novamente extraído, e colocado dentro de um quadro Token-Ring. Em resumo, uma das grandes vantagens do protocolo IP é sua independência em relação as tecnologias de transmissão. Uma rede WAN pode ser, e é usualmente, composta por tecnologias de transmissão heterogêneas.

12 Protocolos de Transporte
Protocolos de transporte como o TCP e UDP introduzem um nível adicional de endereçamento para identificar processos. Processo Servidor Processo Cliente Porta 80 Porta 1024 Porta Porta Porta Porta TCP TCP UDP UDP Endereço IP Endereço IP IP IP End. Físico End. Físico Os protocolos IP e Ethernet contém informações que permitem endereçar um computador. Para que uma comunicação possa ocorrer, contudo, é necessário endereçar um processo específico dentro do computador. Os protocolos responsáveis por endereçar processos são denominados “protocolos de transporte”. Dois protocolos de transporte são utilizados juntamente com a tecnologia IP: o TCP (Transmission Control Protocol) e o UDP (User Datagram Protocol). A razão de haver dois protocolos é que eles foram projetados para suportar aplicações com necessidades diferentes. O TCP é um protocolo confiável, que oferece vários recursos para garantir a entrega das mensagens enviadas ou gerar notificações automáticas em caso de falha. Tudo isso é conseguido com aumento no volume de tráfego gerado e do processamento no computador. O protocolo UDP, por outro lado, é bastante leve, mas não oferece nenhum tipo de proteção para mensagem. Tanto o TCP quanto o UDP utilizam o conceito de endereçamento por portas (um número de 16 bits). Dessa forma, para que um processo A no computador 1 possa enviar uma mensagem para o processo B no computador 2, ele precisa incluir o número da porta na mensagem enviada. Ethernet Ethernet 1024 80 Mensagem

13 Portas TCP e UDP PORTAS BEM CONHECIDAS 1023 1024 PORTAS REGISTRADAS
Números inteiros de 16 bits padronizadas pela IANA (Internet Assigned Number Authority) 1023 PORTAS BEM CONHECIDAS 1024 49151 PORTAS REGISTRADAS 49152 65535 A entidade IANA (Internet Assigned Number Authority) é responsável por definir como as portas TCP e UPD são mapeadas nas aplicações. Como as portas são números de 16 bits, os valores possíveis de porta vão de 0 a A IANA divida os valores de porta em três faixas. A primeira faixa é denominada portas bem conhecidas, e vai de 0 a Em geral, elas são utilizadas para endereçar processos servidores padronizadas que são independentes de fabricante, como servidores web (80) e servidores de telnet (23). A segunda faixa é denominada portas registradas, e vai de 1024 a Essas portas também são alocadas pela IANA, mas representam processos servidores de fabricantes específicos, como portas de servidores de banco de dados. As terceira faixa é denominada portas dinâmicas ou privadas, e vai de até Essa faixa pode ser utilizada por processos servidores sem permissão da IANA. Os processos clientes utilizam portas dinâmicas que estão na faixa entre 1024 e Essas portas são escolhidas pelo sistema operacional, de maneira a evitar conflito com as portas de processos servidores já em execução no computador. PORTAS DINÂMICAS OU PRIVADAS

14 Quadro, Pacote e Segmento/Datagrama
TCP/UDP PDU dest. orig protocolo orig. dest. orig. dest dados crc ENDEREÇOS FÍSICO (LOCAL) ENDEREÇOS DE PORTAS (PROCESSOS) ENDEREÇOS IP (FIM A FIM) A unidade de informação transportada por um protocolo é denominada genericamente de PDU (Unidade de Dado de Protocolo). O PDU do TCP é denominado segmento, e o PDU do UDP é geralmente denominado de datagrama UDP. O PDU dos protocolos de transportado no interior do campo de dados do pacote IP conforme mostra a figura. O cabeçalho do pacote IP traz um campo denominado “protocolo”, que permite identificar se a PDU sendo transportada é do tipo TCP ou UDP (ou algum outro tipo). Observe que na figura, inúmeros campos de protocolo foram omitidos, pois não são relevantes para essa introdução. Dessa forma, o cabeçalho do Ethernet precede o cabeçalho IP, que por usa vez precede o cabeçalho do TCP ou do UDP. Esse conceito de empilhamento de cabeçalhos é denominado pilha de protocolos.

15 Protocolo de Aplicação
O protocolo de aplicação define, geralmente, um conjunto de mensagens padronizadas que permite que clientes e servidores de fabricante diferentes se comuniquem. mail from: <...> 250 ok cliente servidor rcpt to: <...> 250 ok data 354 End data with <CR><LF>.<CR><LF> Existem muitos serviços distintos implementados sobre o protocolo IP. Exemplos típicos são , web e acesso remoto via SSH ou TELNET. Muitos desses serviços seguem a arquitetura cliente-servidor, onde uma aplicação cliente troca mensagens com uma aplicação servidora. A fim de permitir que clientes e servidores de fabricantes diferentes se comuniquem, aplicações típicas da internet adotam um formato padronizado para essas mensagens, denominado protocolo de aplicação. Como seu próprio nome diz, um protocolo de aplicação é especializado para uma aplicação específica. Ele não é genérico como o IP, o TCP e o UDP. Alguns protocolos de aplicação são implementados sobre UDP e outros sobre TCP, de acordo com as necessidades da aplicação. A figura ilustra o protocolo de aplicação denominado SMTP (Simple Message Transfer Protocol) utilizado no envio de . O protocolo de aplicação é transportado no interior do PDU do protocolo de transporte, seguindo o conceito de pilha de protocolos. dados <CR><LF>.<CR><LF> dest. orig. prot. orig dest orig dest prot. aplicação dados crc

16 Pilha TCP/IP O Ethernet não é considerado parte da pilha TCP/IP DADOS
aplicação transporte pacote quadro Camada de Aplicação HTTP, FTP, SMTP, etc Seqüência de empacotamento Aplicação Camada de Transporte TCP, UDP S.O. Camada de Rede IP A figura ilustra o conceito do que é comumente denominado de: pilha de protocolos TCP/IP. Oficialmente, o Ethernet não é considerado parte da pilha TCP/IP. Isso se deve ao fato de que o protocolo IP é independente da tecnologia de transmissão. Nesse caso, o Ethernet foi colocado na pilha a título de exemplo. A pilha TCP/IP segue o conceito de modelo de redes em camadas. A arquitetura TCP/IP é composta pelas camadas de aplicação, transporte e rede. Protocolos que se situam na mesma camada são concorrentes e protocolos em camadas distintas são complementares. Por exemplo, como TCP e UDP estão na camada de transporte, apenas um dos dois pode ser utilizado no processo de encaminhamento de uma mensagem. Por outro lado, como o IP está numa camada diferente, é possível ter as combinações TCP/IP e UDP/IP. Conforme mostra a figura, a pilha de protocolos determinar a seqüência de empacotamento dos dados até o momento onde um quadro é criado. Quanto mais alta a camada do protocolo, mais interno é a posição do seu cabeçalho em relação a estrutura do quadro. Ethernet Placa de Rede

17 OSI - Open Systems Interconnection Model
Modelo de referência para classificação de protocolos Mensagens padronizadas. Dispositivo de Rede: Gateway de Aplicação (Proxy) HTTP, SSH, SMTP, SNMP, DNS, etc. Aplicação 7 Apresentação 6 Representação de dados independente da plataforma. Sessão 5 Comunicação com controle de estado. Comunicação entre processos. Dispositivo de Rede: Não há TCP, UDP, SPX, NetBEUI, etc. Transporte 4 Roteamento dos pacotes através de redes diferentes Dispositivo de Rede: Roteador IP, IPx, etc. Rede 3 Muitos sistemas de telecomunicações seguem o modelo de rede em camadas. Então a gama de protocolos existentes é bastante ampla. Por essa razão, um modelo de referência genérico, denominado Modelo OSI, foi definido pela ISO (International Organization for Standardization). O Modelo OSI usa mais camadas que o modelo TCP/IP. O modelo é composto por sete camadas, numeradas de 1 a 7 a partir da camada mais baixa do modelo. Na prática, a camada de aplicação da arquitetura TCP/IP engloba funções das camadas de Aplicação, Apresentação e Sessão do modelo OSI. O Ethernet também engloba funções de duas camadas: Física e Enlace. O modelo OSI é útil também para classificar os equipamentos de rede de acordo com o cabeçalho de protocolo que eles utilizam. Por exemplo, um Switch é um dispositivo de camada 2, pois para encaminhar os quadros ele utiliza as informações de endereçamento do protocolo de enlace. Um roteador, por outro lado, é um dispositivo de camada 3, pois ele realiza suas funções analisando as informações de endereçamento do protocolo de rede. No mercado, existem equipamentos de realizam funções de mais de uma camada. Por exemplo, um switch de camada 3 também é capaz de realizar roteamento. Empacotamento de dados em quadros dentro da rede. Dispositivo de Rede: Ponte, Switch Ethernet, PPP, Frame-Relay, ATM, … Enlace de Dados 2 Transmissão de bits através do meio físico. Dispositivo de Rede: Repetidor, Hub Física 1

18 Arquietura Internet e Endereçamento IP
A arquitetura Internet é definida como uma coleção de redes físicas interligadas por uma nuvem de roteadores. Gateway ou roteador Rede Física internet Rede Física O protocolo IP define uma arquitetura de rede formada pela interligação de redes físicas. Na topologia IP, a rede física é normalmente uma rede IP, formada por Hubs ou Switches. Como veremos mais adiante no curso, atualmente, esse conceito é um pouco mais complexo devido a introdução do endereçamento privado. Mas neste capítulo, iremos considerar que todos os endereços IP são únicos (públicos). Os roteadores são utilizados para interligar as redes físicas entre si. Eles oferecem múltiplos caminhos para interconectar as redes físicas. O caminho é escolhido de acordo com informações previamente configuradas nos roteadores, denominadas “tabelas de roteamento”. As tabelas de roteamento indicam para cada roteador como ele deve encaminhar um pacote a fim de que este chegue a uma certa rede física de destino. Na Internet, as tabelas de roteamento são preenchidas automaticamente, através de protocolos de roteamento padronizados, como o BGP (Border Gateway Protocol) e o OSPF (Open Shortest Path First). Rede Física Rede Física

19 Notação Decimal Pontuada
Endereços IP são números de 32 bits (4 bytes) representados em notação decimal pontuada. O protocolo IPv4 (Internet Protocol version 4), atualmente utilizado na Internet, define endereços de 32 bits. Os endereços de 32 bits correspondem a quatro octetos (bytes). Na notação decimal pontuada, cada um desses octetos é representado por um número decimal, calculado como se cada octeto fosse independente dos demais. A figura ilustra a representação do endereço IP Um endereço IP identifica um computador, mas também permite identificar a qual rede o computador pertence. De fato, a parte mais significativa do endereço IP corresponde ao identificador de rede (ou prefixo), e a parte menos significativa ao identificador de host. A quantidade exata de bits que corresponde ao identificador de rede é variável. Atualmente, existem duas estratégias para determinar o tamanho desse identificador: Endereços IP com classe O identificador de rede (prefixo) é determinado pelo valor do endereço IP Endereços IP sem classe O identificador de rede (prefixo) independe do valor do IP e é determinado por um outro número, denominado máscara de sub-rede.

20 Endereços IP Endereço IP: Indentificador de Rede + Indentificador de HOST Endereço IP de 32 bits Id rede (prefixo) Id de host host Rede fisica Rede física internet Numa rede IP, a forma de atribuição dos endereços está diretamente relacionada a topologia da rede. Independente da estratégia utilizada para determinar o tamanho do identificador de rede, a forma padrão de atribuir endereços IP a uma rede deve obedecer as seguintes regras: Computadores e interfaces de equipamentos de rede numa mesma rede física (LAN) devem ter o mesmo identificador de rede. 2) Redes físicas distintas devem possuir identificadores de rede distintos. É importante observar que na nomenclatura da arquitetura TCP/IP o termo sub-rede é comumente usado como sinônimo de LAN ou rede física. É possível fazer uma rede funcionar sem respeitar as regras acima. Contudo, essa prática seria muito imprópria, pois levaria a um aumento de complexidade desnecessário nas tabelas de roteamento de computadores e roteadores. hosts com o mesmo hosts com identificador de identificadores rede. de rede distintos. Rede física Rede Física

21 Classes de Endereçamento IP
Octetos Número de Prefixos Endereços por Prefixo Faixa de Endereços A (0) R H 128 B (10) R R 16.384 65.536 C (110) R 256 até D (1110) ---- até Res. (1111) reservado até O método antigo usado para determinar o tamanho do identificador de rede era baseado na tabela mostrada pela figura. O método dividia o espaço de endereçamento IP em 4 classes, denominadas A,B,C e D. As classes A,B e C são de endereços unicast, isto é, elas são usadas para atribuir endereços para computadores individuais. Quando o endereço de destino de um pacote é do tipo unicast, apenas um computador em toda a rede deverá recebê-lo. A classe D é de endereços multicast, que é utilizada para atribuir endereços para grupos de computadores. Quando o endereço de destino de um pacote é do tipo multicast, o mesmo pode ser lido por múltiplos computadores ou dispositivos de rede que compartilham o mesmo endereço. Apenas as classes de A até C possuem o conceito de identificador de rede. Nesse caso, o tamanho do identificador é definido para cada classe. Na classe A o identificador tem 8 bits (1 byte). Na classe B, 16 bits e na classe C, 24 bits. Para determinar em qual classe um endereço pertence é necessário examinar os primeiros bits do endereço, conforme indicado na figura. Mais simples do que identificar os primeiros bits do endereço é localizar em que faixa o endereço se encontra. Por exemplo, um endereço em que o primeiro octeto está entre 1 e 127 é um classe A (exemplo, ). Um endereço onde o primeiro octeto está entre 128 e 191 é um classe B (exemplo, ), e assim por diante.

22 Endereços IP com Classe
As classes definem o tamanho das redes locais. 16,77 milhões de até A 65,536 mil de até B O conceito de endereçamento com classes foi criado em uma época em que a rede Internet era muito pequena. O método de divisão adotado é muito rígido, e leva a um grande desperdício de endereços. Uma rede classe A representa uma rede física com 16 milhões de endereços. Considerando as tecnologias de rede atualmente utilizadas, esse número não faz muito sentido. No início da história da rede IP, contudo, acreditava-se que a Internet seria formada por um pequeno número de redes, e desejou-se limitar o tamanho das tabelas de roteamento nos roteadores que, nos anos 70, tinham capacidade de processamento e memória muito limitada. Na concepção original, a rede Internet poderia interconectar redes maiores, de diferentes tecnologias, que não necessariamente seguissem a filosofia das LANs. Inicialmente, a classe B foi a classe mais usada para atribuir endereços IP para as redes que se conectam a internet. Por volta de 1992, contudo, metade das classes B disponíveis já havia sido utilizada, e os prefixos das classes C passaram a ser utilizados. O problema dessa estratégia de alocação é que a quantidade de prefixos de classe B é limitada (16384). Além disso, ao atribuir uma classe B para uma universidade com 10 mil computadores, por exemplo, os 55 mil endereços restantes serão perdidos. O método também é muito rígido, pois não é possível criar redes com tamanhos intermediários entre as classes. 256 de até C

23 Exemplo de Endereçamento
As interfaces do roteador também fazem parte das redes. 2 3 4 5 sub-rede roteador A figura mostra um exemplo de alocação de endereços classe C. No exemplo, duas redes LANs (ou sub-redes) foram conectadas: a sub-rede e a sub-rede Por que o prefixo pertence a classe C, ele define um bloco de endereços que vai do até o O primeiro e o último endereço desses blocos são não podem ser usados com endereços de unicast (o primeiro é usado para identificar a rede e o último é um endereço de broadcast para todos os computadores da rede). Similarmente, a sub-rede define o bloco de endereços até Observe que o roteador possui dois endereços IP, um para cada uma de suas interfaces. Cada interface do roteador pertence a sub-rede ao qual ele está conectado e deve, portanto, ter um endereço unicast do bloco que define a sub-rede. O endereço do roteador pode ser qualquer endereço do bloco. Uma boa prática, contudo, consiste em atribuir o primeiro endereço unicast válido do bloco para o roteador. Antes que um computador envie um pacote par outro, ele precisa decidir se o destinário está na mesma rede que ele ou não. Se não estiver, ele envia o pacote para o roteador da rede. Para tomar esta decisão, basta ao computador verificar se o endereço do destinatário está contido no bloco de endereços que define sua própria sub-rede. sub-rede 2 3 4 5

24 Limitações do IP com classe
Qual a melhor classe para cada uma das redes abaixo? Universidade A Instituto B ... ... 2000 computadores 200 computadores Os endereços IP com classe implicam em um grande desperdício de endereços. A classe mais utilizada até o início dos anos 90 era a classes B. Todavia, quando a quantidade de prefixos disponíveis nessa classe começou a decair drasticamente com o crescimento da Internet, os prefixos classe C começaram a ser utilizados. Para ilustrar como as classes implicam em desperdício de endereços, e porque o uso das classes C foi prejudicial, considere o cenário acima. Imagine que você precisa conectar duas redes de tamanhos distintos, uma com 2000 computadores e outra com 200, utilizando a tecnologia IP. O primeiro passo é escolher um identificador de rede para cada uma das sub-redes. Para a sub-rede com duzentos computadores, uma identificador pertencente a classe C é suficiente. A rede precisa de 200 endereços para os computadores e um endereço para Interface interna do roteador. Uma classe C possui 254 endereços unicast válidos. Os 53 endereços restantes estão perdidos, pois eles não podem ser alocados a nenhuma outra rede. Para a rede com 2000 computadores, o desperdício tende a ser muito maior. Duas soluções possíveis são utilizar uma classe B (nesse caso a perda de endereços seria na ordem de 63534). Ou oito prefixos de classes C, o que diminuiria a perda para 32 endereços, mas prejudicaria o desempenho da rede, como veremos a seguir.

25 Limitações do IP com Classe
Universidade A Universidade A 253 computadores ... ... ... 2000 computadores A figura ilustra as duas opções para escolher as classes do identificador de rede para a sub-rede com 2000 computadores (Universidade). A direita, a opção de escolher uma classe B é a mais simples. Utilizar uma classe B implica em que endereços seriam perdidos. Isto é, eles ficariam reservados para uso pela matriz em uma expansão futura. O lado esquerdo ilustra a opção de escolher oito classes C. O problema de adotar esta opção, é que a matriz seria realmente dividida em diversas sub-redes que precisariam ser interconectados por um ou mais roteadores. Ou seja, a escolha de classes menores implica em um incômodo para o administrador de rede, pois ele precisa adaptar a topologia de sua rede a escolha dos identificadores. Outro problema mais significativo é que o número de entradas na tabela de roteamento dos demais roteadores da Internet seria desnecessariamente maior. Enquanto basta uma entrada para representar a rede com o prefixo de classe B são necessárias oito entradas para representar a mesma rede com os prefixos de classe C. 253 computadores OITO CLASSES C 2024 endereços UMA CLASSE B 65536 endereços

26 Endereços IP sem classe
Classless Inter-Domain Routing (CIDR) Introduzido em 1993, modificou a forma como o tamanho do prefixos de rede em um endereço IP é determinado. O CIDR adota o conceito de máscara de subrede de tamanho variável, que permite definir prefixos de qualquer tamanho VLSM (Variable Length Subnet Masking) IP (32 bits) Máscara de Subrede (32 bits) A maneira como o tamanho do prefixo de rede de um endereço IP é determinado foi alterado em A fim de flexibilizar a atribuição de endereços IP na Internet foi introduzido o conceito de CIDR (Classless Inter-Domain Routing). Essa nova estratégia permite definir prefixos de qualquer tamanho, pela introdução do conceito de máscara de sub-rede. A máscara de sub-rede é um número que acompanha um endereço IP e indica qual parte do endereço deve ser interpretado como um prefixo de rede. Em sua forma mais geral, uma máscara de sub-rede é um número de 32 bits. Na forma mais compacta, a máscara de sub-rede é apenas um número que indica quantos bits mais significativos do endereço IP devem ser usados como prefixo de rede. Essas formas de representação serão discutidas mais adiante neste capítulo. O conceito de máscara de sub-rede também é referenciado na literatura como VLSM (Variable Length Subnet Masking). Este termo é utilizado para distinguir do conceito de máscaras padronizadas para as classes A, B e C, que seriam representadas da seguinte forma: Classe A: (prefixo de 8 bits) - máscara ou /8 Classe B: (prefixo de 16 bits) - máscara ou /16 Classe C: (prefixo de 24 bits) - máscara ou /24

27 Máscara de Subrede A Máscara de Subrede Máscaras Default:
32 bits em notação decimal pontuada. bits 1 indicam o endereço da subrede bits 0 o endereço do host. Máscaras Default: classe A: ou /8 ou classe B: ou /16 ou classe C: ou /24 ou Em sua forma mais geral, a máscara de sub-rede é um número de 32 bits, representado em notação decimal pontuada, de forma semelhante ao IP. Como seu próprio nome diz, este número funciona como uma máscara para o IP, no sentido em que se fizemos um “E” lógico bit-a-bit entre um endereço IP e sua máscara, obteremos como resultado o prefixo de rede do endereço IP. Para obter esse efeito, a máscara de subrede adota o seguinte princípio: se um bit da máscara é 1, então o bit correspondente no endereço IP pertence ao prefixo de rede. Se um bit da máscara de subrede é 0, então o bit correspondente pertence ao identificador de host. A forma mais recomendada para utilizar a máscara de subrede é fazer com que os bits mais significativos da máscara sejam iguais a 1. Nesse formato, uma máscara de subrede pode ser representado de forma compacta, utilizando o formato “/” seguido o tamanho do prefixo. Esse princípio é ilustrado utilizando as máscaras default, na figura acima.

28 SubRedes /27 /25 /26 (32 IPs) /24 (128 IPs) (64 IPs) (256 IPs) /27 (32 IPs) /26 (64 IPs) /25 (128 IPs) Na nomenclatura do IP, uma subrede corresponde a um bloco de endereços. Esses endereços devem ser atribuídos, supostamente, a computadores conectados mesma LAN. O “nome da subrede” corresponde ao primeiro endereço do bloco, acompanhado pela máscara de subrede. Por exemplo, a subrede de classe C /24 define um bloco de 256 endereços que vai de até O primeiro e últimos endereços de um bloco não podem ser usados como “unicast”. O primeiro endereço é usado para identificar a rede, e o último significa um broadcast para o bloco. As máscaras de tamanho variável permitem definir redes de qualquer tamanho. Uma maneira de ilustrar esse conceito, é mostrar como a subrede de classe C /24 pode ser transformado em vários blocos de endereços independentes. O processo de divisão de um bloco de endereços em subredes menores é bastante simples. Cada vez que aumentamos o tamanho da máscara em 1 bit, criamos duas subredes com a metade do tamanho do bloco de endereços original. Por exemplo, a máscara /25 permite dividir a subrede /24 nas subredes /25 e /25, cada uma delas com 128 endereços. Observe que o último endereço de cada bloco continua sendo sempre um broadcast para a subrede. /24 = /25 = /26 = /27 =

29 SuperRedes /24 /23 (256 IPs) (512 IPs) /22 (1024 IPs) /24 (256 IPs) /24 = /23 = /22 = /24 /23 (256 IPs) (512 IPs) As máscaras de tamanho variável permitem também agrupar subredes para formar superedes. O termo super-rede é as vezes utilizado para designar o bloco de endereços formado pela agregação de subredes de tamanho menor. Uma condição para criação das super-redes é que os blocos de endereços que serão agrupados devem ser contíguos. Por exemplo, considere 4 subredes pertencentes a classe C: /24, /24, /24 e /24. Observe que esses quatro blocos são contíguos pois o último endereço de um bloco é seguido imediatamente pelo primeiro endereço do bloco seguinte. O processo de agrupamento de subredes é igualmente simples. Cada vez que diminuímos o tamanho da máscara de subrede em 1 bit, criamos um super-rede que tem o dobro do tamanho da rede original. Na prática, o conceito de super-redes é bastante útil para diminuir o número de entradas nas tabelas de roteamento dos roteadores na Internet. Considere, por exemplo, o cenário anterior no qual havíamos atribuídos 8 prefixos de classe C para uma Universidade com 2024 computadores. Utilizando o conceito de super-rede, toda a Universidade pode ser representado por um único prefixo de tamanho /21. /24 (256 IPs)

30 Máscaras em Notação Decimal Pontuada
Por default, a máscara de uma rede classe C é Para dividir a rede em 2 subredes, utiliza-se a máscara: Para dividir a rede em 4 subredes, utiliza-se a máscara: Para dividir a rede em 8 subredes, utiliza-se a máscara: Para dividir a rede em 16 subredes, utiliza-se a máscara: As máscaras de subrede podem ser representadas em notação decimal pontuada, conforme mostra a figura acima. A máscara /25 corresponde a uma seqüência de 25 bits com valor 1, seguidos por 7 bits de valor 0. Os octetos da máscara que são formados apenas por números 1 recebem a representação decimal 255. Como o último octeto da máscara possui apenas um bit com valor 1, determina-se a representação decimal deste octeto calculando-se: 27 = 128. A máscara /25 em notação decimal pontuada torna-se Para a máscara /26, temos dois bits iguais a 1, sendo que a representação decimal do último octeto é = = 192. O mesmo princípio aplica-se para máscaras menores. Por exemplo, um máscara /17 possui os dois primeiros octetos completos e apenas um bit igual a um no penúltimo octeto da máscara. Seu valor é portanto: Uma máscara /18 é representado por Similarmente, um /9 é representado por e um /10 por Pode-se definir máscaras ainda menores. Como veremos adiante, uma máscara importante é a /0, a qual corresponde a representação decimal

31 Exemplo de Atribuição de Endereços
subrede 3 subrede 2 r3 r2 ... ... 50 computadores 50 computadores /24 r1 Para ilustrar como a estratégia CIDR beneficia ambos, a rede do usuário e os roteadores da Internet, considere o problema de atribuição de endereços IP para o cenário ilustrado na figura. Uma empresa deseja conectar-se a Internet, e para isso obteve junto as autoridades de registro de endereços da Internet o prefixo de rede /24. Apesar de ter recebido um único prefixo, a empresa precisa interligar três sub-redes, uma com 100 computadores e duas com 50 computadores. O prefixo /24 corresponde a um bloco de 256 endereços, sendo, a princípio possível conectar a todos os computares. Consideremos inicialmente, uma subdivisão desse bloco com um máscara /25. Teremos dois prefixos com 128 endereços: /25 e /25. O primeiro desses blocos é suficiente para atender a subrede1, com 100 computadores. Para as duas subredes distantes, dividiremos novamente o prefixo em dois blocos com 64 endereços: /26 e /26 ... 100 computadores subrede1

32 Exemplo de Atribuição de Endereços
subrede 3 /26 subrede 2 /26 r3 r2 ... /24 ... r1 A figura mostra como ficaria a distribuição dos endereços IPs após a divisão em blocos. A divisão definiu 3 prefixos de rede: subrede 1: /25 (128 endereços) Define a faixa de endereços unicast de até subrede 3: /26 (64 endereços) Define a faixa de endereços unicast de até subrede 2: /26 (64 endereços) Define a faixa de endereços unicast de até Em todas as subredes, a interface do roteador conectado a subrede recebe o primeiro endereço unicast do bloco. Os demais computadores recebem os demais endereços do bloco. É importante observar que os roteadores da Internet não precisam saber dessa divisão feita pela empresa. Os roteadores da Internet continuam a ver todas as três subredes como uma única rede com prefixo /24, cujo único ponto de acesso é o roteador r1. ... subrede 1 /25

33 Endereços IP especiais
Não podem ser atribuídos a nenhuma estação: Primeiro endereço do bloco de subrede Identificador da subrede Último endereço do bloco de subrede Broadcast para a subrede /8: Bloco de endereços de loopback : Identificador da Internet Endereço de Inicialização (DHCP) : Broadcast para todas as redes até : Endereços de multicast Além da classe D, que deve ser utilizada apenas para endereços de multicast, existem outros endereços IP que não podem ser utilizados no modo unicast, isto é, como endereço de computadores individuais. Conforme vimos, independente do tamanho do prefixo de rede, o primeiro e o último endereços de um bloco de endereços são sempre reservados. O primeiro endereço, juntamente com a máscara de subrede, é utilizado para identificar a subrede. O último endereços de um bloco sempre representa um broadcast para o bloco. A IANA (Internet Assigned Number Authority), responsável pela regulamentação de como os endereços IP são utilizados, definiu também que todo o bloco de endereços /8 (isto é de até ) correspondem a endereços de loopback, isto é, eles endereçam processo internos ao computador e não podem ser utilizados para encaminhar pacotes pela rede. Experimente pingar qualquer endereço dessa faixa no seu computador, e você verá que todos irão responder, pois eles representam o seu próprio computador. O endereço , além de representar a rede Internet, é usado pelos computadores para informar que eles não tem um endereço IP válido (por exemplo, durante o processo de inicialização via DHCP). Um pacote com o endereço de destino representa broadcast para todas as subredes, independentemente do seu prefixo.

34 Loopback = Transmissão Local
Os pacotes IP com endereço de loopback não são enviados para camadas inferiores da pilha TCP/IP. Eles são tratados localmente pela própria estação Recomendação do IETF: /8 é reservado para loopback processo A processo B porta A porta B Os endereços de loopback representam sempre uma comunicação no interior do sistema operacional do computador. Esses endereços indicam que o pacote não deve ser encapsulado pela camada de enlace, mas ser encaminhado diretamente para o outro processo, conforme ilustrado pela figura. Em teoria, se você fizer um ping para o seu próprio computador usando seu endereço unicast, o pacote deveria descer até a camada de enlace, para depois retornar para as camadas superiores. Os endereços de loopback eliminam esse problema, pois introduzem endereços com um comportamento especial. Na prática, os sistemas operacionais implementam um redirecionamento do pacotes enviados para o endereço de unicast do computador para o loopback, para evitar o desperdício de colocar um pacote na rede, que será lido pelo próprio computador. Transporte Rede Enlace Física

35 ARP: Address Resolution Protocol
O ARP faz a adaptação entre o Ethernet e o IP. O ARP é encapsulado diretamente dentro do Ethernet. Todo computador, ao ter sua pilha IP (re)iniciada, envia um ARP request para seu próprio endereço para detectar endereços duplicados. SWITCH SWITCH ARP REQUEST (broadcast) ARP REPLY (unicast) qual o MAC do IP ? A mensagem ARP request é uma mensagem enviada em broadcast, isto é, seu endereço MAC de destino é FF.FF.FF.FF.FF. Todos os computadores que estiverem em uma mesma rede física recebem todas as mensagens de ARP Request enviadas. Isso ocorre mesmo que os computadores estejam ligados em um Switch. Os computadores que recebem a mensagem ARP mas não possuem o endereço IP solicitado ignoram a mensagem. Somente o computador com o IP solicitado envia o ARP Reply em unicast. O protocolo ARP possui os seguintes campos principais: Tipo de Hardware: especifica a tecnologia da camada de Enlace. Atualmente várias opções são suportadas, como Ethernet, ATM, FrameRelay e HDLC. Tipo de Protocolo: especifica a tecnologia da camada de Rede. No caso a arquitetura TCP/IP, o protocolo IPv4. Tamanho do Endereço de Hardware: 6 bytes no caso do MAC Tamanho do Endereço de Protocolo: 4 bytes para o IPv4 Tipo de Mensage: Arp Request e Arp Reply, entre outras. Endereço de Hardware do Transmissor: MAC do transmissor Endereço de Protocolo do Transmissor: IP do transmissor Endereço de Hardware do Alvo: MAC que precisa ser descoberto Endereço de Protocolo do Alvo: IP do computador de destino a MAC destino ff:ff:ff:ff:ff:ff b c o MAC do IP é C

36 ARP – Inundação de Broadcast
O protocolo ARP utiliza mensagens em broadcast que tem alto impacto na carga total na rede. Para reduzir o tráfego total de ARP, os dispositivos que hospedam o protocolo IP utilizam uma cache, visível pelo comando: arp -a ARP Cache endereço IP endereço MAC tipo :60:08:16:85:B3 dinâmico :60:08:16:85:ca dinâmico O envio de mensagens em broadcast é altamente prejudicial ao desempenho da rede. Na presença desse tipo de mensagem, os switches se comportam de forma idêntica aos Hubs, ou seja, uma mensage ARP recebida em uma porta é transmitida para todas as demais. Uma rede com muitos computadores pode apresentar um alto nível de mensagens em broadcast. Essas mensagens provocam o congestionamento da rede, e levam ao natural decréscimo no desempenho da rede. Além disso as mensagens em broadcast não são filtradas pelas interfaces de rede dos computadores, e seu conteúdo precisa ser interpretado pela CPU do computador, roubando tempo de processamento das aplicações dos usuários. Para reduzir a quantidade de mensagens ARP geradas, uma processo de cache é utilizado. Todo endereço MAC descoberto é armazenado na cache ARP, com um certo tempo de vida (geralmente 5 minutos). Antes de enviar uma mensagem ARP, o sistema operacional consulta a cache, e só envia a mensagem caso não encontre o endereço IP do destinatário nessa tabela.

37 ARP e Roteamento Roteadores respondem, mas não propagam broadcast.
Isso implica que não é possível localizar o endereço MAC de algum computador situado do outro lado de um roteador. SWITCH SWITCH ... Por default, as mensagens em broadcast não atravessam roteadores. Apesar de ser possível configurar roteadores para encaminharem mensagens em broadcast, isto não é feito (certamente não pelos roteadores da Internet). Dessa forma, as mensagens ARP não atravessam roteadores, e um computador não é capaz de determinar o endereço MAC de um computador que esteja localizado em uma outra rede física. Na verdade, ele não precisa. Quando um computador constrói um quadro, ele só irá tentar localizar o endereço MAC do destinatário caso ele possua o mesmo prefixo de rede que ele. Se ele possuir um outro prefixo de rede, o quadro deverá ser encaminhado para um roteador. Dessa forma, uma mensagem ARP ainda é enviada, mas não para localizar o MAC do computador de destino, mas para localizar o MAC do roteador. intra-rede inter-rede

38 Roteamento Comunicação intra-rede Comunicação inter-redes
Os endereço FÍSICO de destino é o endereço MAC do computador de destino. Comunicação inter-redes O endereço FÍSICO de destino é o endereço MAC do roteador ligado a mesma rede física que a estação transmissora. INTRA-REDE MAC DESTINO MAC ORIGEM IP ORIGEM IP DESTINO DADOS A maneira como o computador constrói um quadro depende da comunicação ser intra-rede ou inter-rede. Se a comunicação é intra-rede, o computador determina o endereço MAC do destinatário utilizando o protocolo ARP, e constrói um quadro com o endereço físico de destino endereçando diretamente o destinatário. Se a comunicação é inter-rede, o computador determina o endereço MAC do roteador da sua rede, também utilizando o protocolo ARP, e constrói um quadro com o endereço físico do roteador, ao invés do endereço físico do destinatário. Em ambos os casos, o endereço IP de destino é sempre o do computador para quem o pacote deve ser enviado. Outro aspecto importante, é que o IP do roteador nunca aparece nos pacotes. INTER-REDES MAC ROTEADOR MAC ORIGEM IP ORIGEM IP DESTINO DADOS

39 Comunicação Inter-Redes
O endereço IP de origem e de destino se mantém os mesmos durante todos os saltos de um pacote através de vários roteadores. O endereço MAC é modificado para endereçar os elementos participantes de cada salto. b a IPa IPd d c IPa IPd roteador b c IPb IPc Durante o processo de encaminhamento de um pacote, numa transmissão inter-redes, os endereços MAC de origem e destino são alterados de maneira a refletir o enlace por onde o quadro está sendo encaminhado. A tecnologia Ethernet nem sempre é utilizado nos enlaces ponto a ponto dos roteadores, mas nesse exemplo, vamos supor que todos os enlaces são Ethernet. No exemplo da figura, o emissor encaminha o primeiro quadro para o endereço MAC do roteador 1 (MAC2). Quando o roteador 1 encaminha o quadro para o roteador 2, os endereços físicos de origem e destino são respectivamente MAC3 e MAC4 . Quando o roteador 2 entrega o quadro para o receptor, os endereços físicos de origem e destino são, respectivamente, MAC5 e MAC6. Observe que o emissor não precisa conhecer o endereço MAC do destinatário, e que o receptor, ao receber o quadro, não sabe qual o endereço MAC do transmissor. Numa comunicação inter-redes, são os endereços IPs os responsáveis por pelo endereçamento fim-a-fim. Os endereços físicos são responsáveis pelos endereçamentos no interior dos enlaces. a f IPa IPd

40 Tabela de Roteamento FORMATO GERAL
REDE DESTINO: GATEWAY ou NEXT-HOP: INTERFACE: eth0 ou CUSTO: 1 /24 ENDEREÇO DE BASE PROPRIEDADE: O resultado de um E-BINARIO de qualquer endereço da rede com a máscara resulta sempre no endereço de base. Durante o processo de transmissão de um pacote por uma rede WAN, tanto os computadores quanto os roteadores precisam determinar se um pacote pode ser entregue diretamente, ou se deve ser encaminhado para outro roteador. Também é preciso conhecer o endereço IP dos roteadores neste processo. O processo de encaminhamento de pacotes IP é denominado roteamento. Todas as informações necessárias para um computador ou roteador executar a operação de roteamento estão contidas em uma tabela, denominada “tabela de roteamento”. Uma tabela de roteamento contém múltiplas entradas, cada uma delas correspondendo as redes que um computador ou roteador tem acesso. Cada uma dessas estradas é composta por quatro campos: Rede de destino: identifica um destino acessível pelo computador ou roteador Gateway: identifica para qual (interface de) roteador o pacote deve ser encaminhado para chegar a rede de destino. Interface: indica por qual das interfaces do dispositivo o pacote deve ser enviado. A interface pode ser identificada por um endereço IP ou por um nome lógico, dependendo do sistema operacional do dispositivo. Custo: permite criar classificar múltiplos caminhos para um mesmo destino.

41 Rede de Destino Formada por um endereço de base e uma máscara de subrede. Exemplos: (MASCARA ): Rota para os computadores: a (MASCARA ): a (MASCARA ): Rota para o computador: (MASCARA ) Rota para todos os computadores até Uma rede de destino pode ter múltiplos tamanhos. Ela pode ser tão grande quanto a Internet ( /0), ou tão pequena quanto um simples computador ( /32). Uma rede de destino é sempre descrita por um endereço de base (o primeiro endereço de um bloco de endereços) e um máscara de subrede, que determinar o tamanho do bloco. Por exemplo, a rede /24 (isto é, com máscara ) define um bloco de endereços que vai de até Quando um computador ou roteador precisa encaminhar um pacote, ele procura uma entrada na tabela de roteamento cujo campo rede de destino represente um bloco que contém o endereço de destino do pacote. Se a operação “E” lógico bit-a-bit entre o endereço de destino e a máscara da rede de destino resultarem no endereço de base da rede, então, o endereço pertence ao bloco. Se não, o computador ou roteador irá testar uma nova entrada na tabela. Por exemplo, se pegarmos o endereço e fizermos um “E” lógico com (isto é, zerarmos os últimos 8 bits) obteremos

42 Exemplo de Tabelas de Roteamento
REDE /24 A INTERNET roteador 1 roteador 2 Para ilustrar o conceito das tabelas de roteamento, considere o cenário mostrado pela figura. Todos os dispositivos presentes na figura, isto é, os computadores e os roteadores possuem tabelas de roteamento. A princípio, todas as tabelas de roteamento deverão possuir três entradas, uma para cada rede mostrada na figura. As redes são: /24, /24 e /0 O enlace entre os roteadores 1 e 2 também é uma rede, mas geralmente, não vale a pena representá-la na tabela de roteamento, uma vez que é possível acessar aos roteadores pelas outras interfaces. De fato, no caso de um enlace ponto-a-ponto, pode-se utilizar endereços não únicos, do tipo privado. Como vermos adiante no curso, a IANA define como endereços privados alguns prefixos de rede, que podem ser usados livremente sem necessidade de registro junto as autoridades. Os endereços privados não são roteáveis na Internet, isto é, os roteadores da Internet não possuem rotas para endereços privados. A máscara /30 é ideal para atribuir endereços a enlaces ponto-a-ponto, pois ela define um bloco com apenas 4 endereços (sendo apenas dois endereços de unicast). /30 /30 B REDE /24

43 Tabela do computador B Rede Destino Gateway Interface Custo
/24 não tem eth0 ou 1 /24 /0 roteador 1 A figura ilustra como seria a tabela de roteamento do computador B. A tabela possui três entradas, uma para cada rede acessível pelo computador. A primeira rota indica como o computador deve proceder para encaminhar pacotes para a sua própria rede. Neste caso, como o campo gateway não é necessário. Muitos sistemas operacionais representam a condição de encaminhamento para rede local de formas diferentes. O Windows Vista, por exemplo, indica “sem vínculo” nesse campo. O Linux, utilizar para indicar que o gateway não é necessário. O campo interface nesse caso, é idêntico para todas as entradas da tabela uma vez que computador possui apenas uma interface de rede. Novamente, a forma de representação desse campo é bastante variável. O nome lógico “eth0” é comumente utilizado pelo Linux para designar a primeira (ou única) interface de rede do tipo Ethernet do computador. O sistema Windows Vista, por outro lado, utiliza o endereço IP da interface nesse campo. O custo neste caso é sempre 1, pois não existem caminhos alternativos para as redes listadas na tabela. Nesse caso, qualquer valor de custo seria válido. /24 eth0 B

44 Seqüência de Análise da Rota
1) Da rota mais específica para a mais genérica ROTA MAIS ESPECÍFICA: ROTA COM MENOS ZEROS NA MÁSCARA 2) Da rota com menor custo para a de maior custo 3) Decisão dependente de implementação Consequencia: O significado de uma rede de destino na tabela de roteamento é: A rede indicada pelo endereço, menos todas as redes menores. Se analisarmos a tabela de roteamento do computador B, encontraremos um problema de conflito, pois a rede Internet engloba as outras duas redes. Isto é, qualquer endereço de destino que seja testado pelo computador estará contido na rota para rede Internet, inclusive os endereços locais. Felizmente, esse problema não ocorre, pois existe uma convenção sobre ordem em que as entradas da tabela de roteamento devem ser testadas. Essa convenção é baseada em duas regras importantes e uma opcional. A primeira regra diz que uma rota mais específica deve ser sempre testada antes de uma rota menos específica. Por esse conceito, a rota para Internet é sempre a última a ser testada. Por exemplo, a rota para /24 deve ser testada sempre antes da rota /0, pois ela representa um bloco de endereços menor. A segunda regra diz que se houver empate em relação ao tamanho da máscara, o campo de custo deve ser utilizado. Nesse caso, uma rota de custo menor deve ser sempre testada primeiro. A terceira regra é simplesmente uma forma de desempate para as duas primeiras regras, e pode ser implementada de diferentes formas de acordo como o desenvolvedor do sistema operacional.

45 Tabela do Roteador 1 Rede Destino Gateway Interface Custo
/24 não tem /24 /0 1 REDE /0 REDE /24 roteador 1 roteador 2 A figura ilustra como seria a tabela de roteamento do roteador 1. As duas primeiras rotas são ditas rotas locais, pois o roteador possui uma de suas interfaces diretamente conectada a uma dessas redes. Novamente, nesses casos, nenhum gateway é necessário. Em muitos sistemas, as rotas locais são indicadas com custo 0, pois sabe-se que não pode existir uma rota alternativa com custo mais baixo. Para que o roteador 1 possa encaminhar um pacote para Internet, ele precisa enviá-lo para o roteador 2. Isto é indicado pela terceira regra da tabela. /30 REDE /24 /30

46 Tabela do Roteador 2 Rede Destino 10.0.0 Interface Custo
/24 1 /24 /0 /30 /30 INTERNET REDE /24 roteador 1 roteador 2 A figura ilustra como seria a tabela de roteamento do roteador 2. Observe como foram definidos os endereços IP dos enlaces que conectam o roteador 2 com o roteador 1 e com o roteador do provedor de acesso a Internet. O endereços dos roteadores conectados a um mesmo enlace precisam necessariamente possuir o mesmo prefixo de rede. O enlace do roteador 2 com o roteador 1 corresponde a pequena rede /30. A máscara /30 possui apenas 2 bits para identificar os hosts e corresponde, portanto, a um bloco de apenas 22=4 endereços: a Como o primeiro e últimos endereços do bloco não podem ser usados, os roteadores receberam os endereços e A máscara /30 recebe a representação em notação decimal pontuada. De maneira similar, o enlace entre o roteador 2 e o roteador do provedor da Internet corresponde a rede /30, que compreende os endereços a /30 REDE /24 /30

47 Rota Default e Gateway Default
Rede Destino Gateway Interface Custo /24 não tem eth0 ou 1 /24 /0 O roteador 1 é o gateway default para a rede pois ele é o caminho para todas as demais redes roteador 1 Em muitos sistemas operacionais, é comum que o usuário tenha que fornecer um endereço IP denominado gateway ou roteador padrão. Na prática, o termo gateway padrão é usado para designar o roteador que dá acesso a Internet. Normalmente, este roteador é o único roteador que precisa ser conhecido pelo computador. A tabela de roteamento do computador é gerada automaticamente a partir de três informações básicas: O IP do computador, a máscara de subrede e o gateway padrão. Por exemplo, a primeira entrada da tabela de roteamento do computador B corresponde a rota para sua rede local. Ela é definida fazendo-se um “E” lógico entre o IP e a máscara de subrede /24, resultado no identificador de rede do computador /24. A terceira entrada da tabela de roteamento é criado a partir da informação sobre o gateway padrão. Essa rota costuma ser referenciada como rota padrão (ou default) e é a rota para Internet. A segunda entrada na tabela de roteamento é desnecessária, pois pode-se considerar que a rede /24 faz parte da Internet, uma vez que ela é acessada pelo mesmo roteador. Essa rota pode ser eliminada. /24 eth0 B

48 Múltiplas Rotas e Custos
Rede Destino Gateway Interface Custo /0 1 (10) 2 (2) /24 2 (11) 1 (1) /24 Não tem /30 /30 REDE /24 INTERNET 10 Mbps R1 R2 As tabelas de roteamento permitem representar mais de uma rota para um mesmo destino. Quando o sistema operacional encontra duas entradas para o mesmo destino, ele sempre selecionará a rota de menor custo. Rotas que não sejam as de menor custo só são consideradas em caso de falha da rota principal, que ocorre, por exemplo, devido ao rompimento de um enlace ou falha no hardware ou software de um roteador. Existem basicamente duas estratégias para definir custos. É primeira é baseado na contagem do número de saltos (isto é, passagens por um roteador) que um pacote deverá percorrer até chegar a rede de destino. Esse estratégia, é apropriada apenas em ambientes onde as velocidades dos enlaces são muito similares. A segunda estratégia consiste em atribuir custos para os enlaces de maneira inversamente proporcional a sua velocidade. Geralmente, o custo do enlace é calculado dividindo-se a maior velocidade de enlace de toda a rede pela velocidade do enlace. Na figura, por exemplo, os enlaces de 100Mbps teriam custo 1 e o enlace de 10Mbps teriam custo 10. A tabela mostrada na figura corresponde ao roteador 1. Os valores de custo sem parênteses foram calculados em hops e os entre parênteses usando a velocidade dos enlaces. 100 Mbps R3 100 Mbps /30 /30 REDE /24

49 Roteamento com Subredes
REDE /25 /30 /30 A INTERNET roteador 1 roteador 2 /30 Nos exemplos anteriores foram considerados apenas redes com máscaras padrão, isto é, mascaras cujo tamanho é multiplo de 8 bits. Vamos agora considerar a construção de tabelas de roteamento com máscaras de tamanho variável. Nesse caso, suponha que roteador um conecta duas subredes formadas pela partição de um bloco de endereços de classe C: /24. A partição do bloco classe C gerou duas subredes de tamanho idêntico (128 endereços): /25 (com endereços entre e ) /25 (com endereços entre e ) É importante notar, nesse caso, que o roteador 2 não precisa levar em conta a divisão do bloco C em duas subredes. Como o caminho para chegar as duas sub-redes é idêntico, isto é, passar pela interface do roteador 1, basta uma única rota para endereçar as duas redes. As tabelas de roteamento para este cenário estão ilustradas na seqüência deste capítulo. /30 B REDE /25

50 Tabelas de Roteamento Computador A Roteador 1 Roteador 2 Rede Destino
Gateway Interface Custo /25 não tem /0 1 Roteador 1 Rede Destino Gateway Interface Custo /25 não tem /25 /0 1 Roteador 2 A tabela correspondente ao computador A utiliza o conceito de rota padrão. Como a maioria dos computadores, o computador possui apenas duas rotas: uma rota para sua rede local e outra para Internet. O roteador 1 possui três rotas, duas locais e uma para Internet. O roteador 2 possui apenas duas rotas, uma rota para subrede /24 e outra para Internet. Observe que o roteador 2 não precisa conhecer a subdivisão feita sobre o bloco de endereços classe C. Tudo o que ele precisa saber é que se o endereço de destino estiver compreendido entre e ele deverá enviar o pacote para a interface do roteador 1. Cabe ao roteador 1, nesse caso, decidir para qual das subredes ( /25 ou /25) o pacote deverá ser enviado. Esse processo de agregação de rotas é muito importante para o desempenho da Internet. Ele permite esconder dos roteadores da Internet as inúmeras subdivisões em redes feitas dentro de empresas e provedores de acesso a Interent. Rede Destino Gateway Interface Custo /24 1 /0

51 Conclusão Endereçamento baseado em classes
Endereçamento sem classes (CIDR e VLSM) ARP (Address REsolution Protocol) Tabelas de roteamento Agregação de rotas Neste capítulo vimos como a interpretação dos endereços IP foi alterado pelo IANA nos anos 90. No modelo inicial, dito com classes, o tamanho do prefixo de rede era determinado pelos primeiros bits do próprio endereço IP, e apenas três tamanhos de rede estavam disponíveis. No modelo atual, dito sem classe (ou CIDR), o tamanho do prefixo de um endereço independe de seu valor, e é determinado por um outro número denominado máscara de subrede que deve acompanhar cada endereço IP. As máscaras de subrede podem definir qualquer tamanho de prefixo e, por isso, recebem a denominação de VLSM (Variable Length Subnet Mask). A integração entre o protocolo IP e a camada de enlace subajacente é feita com o auxílio do protocolo ARP (Address Resolution Protocol). Este protocolo é responsável por descobrir o endereço MAC do host de destino a partir do endereço IP. Por ser baseado em broadcast, o ARP é um dos grandes vilões do desempenho da rede e uma das motivações para introdução do conceito de VLANs que será estudado mais adiante no curso. Finalmente, vimos que todos os elementos envolvidos numa comunicação IP (computadores e roteadores) possuem tabelas de roteamento. Vimos também que o conceito de VLSM permite agregar rotas para diminuir o número de entradas nas tabelas dos roteadores da Internet.