4: Camada de Rede 4a-1 Capítulo 4: Camada de Rede Metas do capítulo: r entender os princípios em que se fundamentam os serviços de rede: m roteamento (seleção de caminhos) m escalabilidade m como funciona um roteador m tópicos avançados: IPv6, mobilidade r instanciação e implementação na Internet

4: Camada de Rede 4a-2 Capítulo 4: Camada de Rede r 4. 1 Introdução r 4.2 Redes baseadas em circuitos virtuais e datagramas r 4.3 O que existe dentro de um roteador r 4.4 IP: Internet Protocol m Formato do datagrama m Endereçamento IPv4 m ICMP m IPv6 r 4.5 Algoritmos de roteamento m Estado de enlaces m Vetor de distâncias m Roteamento hierárquico r 4.6 Roteando na Internet m RIP m OSPF m BGP r 4.7 Roteamentos broadcast e multicast

4: Camada de Rede 4a-3 Camada de rede r transporta segmentos da estação remetente à receptora r no lado remetente, encapsula segmentos dentro de datagramas r no lado receptor, entrega os segmentos para a camada de transporte r protocolos da camada de rede em todos os sistemas finais e roteadores r roteadores examinam campos de cabeçalho de todos os datagramas IP que passam por eles rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física rede enlace física aplicação transporte rede enlace física aplicação transporte rede enlace física

4: Camada de Rede 4a-4 Funções principais da camada de rede r encaminhamento: move pacotes de uma entrada do roteador para a saída apropriada r roteamento: determina a rota a ser seguida pelos pacotes da fonte até o destino m Algoritmos de roteamento analogia: r roteamento: processo de planejar uma viagem da origem até o destino r encaminhamento: processo de atravessar uma encruzilhada durante a viagem

Repasse e Roteamento r Repasse: transferir um pacote da interface de um enlace de entrada para a interface de enlace de saída apropriada. r Roteamento: Determinar os caminhos fim a fim que os pacotes percorrem desde a origem até o destino. r Cada roteador tem uma tabela de repasse. 4: Camada de Rede 4a-5

4: Camada de Rede 4a valor no cabeçalho do pacote que está chegando Algoritmo de roteamento tabela encaminhamento local valor cabeçalho link saída Tabela de Repasse

Dispositivos r Comutador de pacotes: dispositivo geral de comutação de pacotes que executa o repasse de acordo com o valor que está em uma campo no cabeçalho no pacote. r Roteador: baseia sua decisão de repasse no valor que está no campo da camada de rede 4: Camada de Rede 4a-7

4: Camada de Rede 4a-8 Estabelecimento de conexão r 3 ª função importante em algumas arquiteturas de rede: m ATM, frame relay, X.25 r Antes dos datagramas fluírem, dois hosts e roteadores intermediários estabelecem uma conexão virtual m Roteadores são envolvidos r Serviço de conexão das camadas de transporte e de rede: m Rede: entre dois hosts m Transporte: entre dois processos

4: Camada de Rede 4a-9 Modelo de serviço de rede Q: Qual é o modelo de serviço para o “canal” que transporta pacotes do remetente ao receptor? Exemplos de serviços para datagramas individuais: r Entrega garantida r Entrega garantida com atraso menor que 40 mseg Exemplos de serviços para fluxos de datagramas: r Entrega ordenada r Banda mínima garantida para o fluxo r Restrições quanto a alterações no espaçamento entre os pacotes

4: Camada de Rede 4a-10 Modelos de serviço da camada de rede: Arquitetura de Rede Internet ATM Modelo de serviço melhor esforço CBR VBR ABR UBR Banda nenhuma taxa constante taxa garantida mínima garantida nenhuma Perdas não sim não Ordem não sim Tempo não sim não Informa s/ congestion.? não (inferido via perdas) sem congestion. sem congestion. sim não Garantias ?

4: Camada de Rede 4a-11 Capítulo 4: Camada de Rede r 4. 1 Introdução r 4.2 Redes baseadas em circuitos virtuais e datagramas r 4.3 O que existe dentro de um roteador r 4.4 IP: Internet Protocol m Formato do datagrama m Endereçamento IPv4 m ICMP m IPv6 r 4.5 Algoritmos de roteamento m Estado de enlaces m Vetor de distâncias m Roteamento hierárquico r 4.6 Roteando na Internet m RIP m OSPF m BGP r 4.7 Roteamentos broadcast e multicast

4: Camada de Rede 4a-12 Serviços da camada de rede com e sem conexão r Rede datagrama provê um serviço de camada de rede não orientado a conexões r Rede CV provê um serviço de camada de rede orientado a conexões r Análogos aos serviços da camada de transporte, mas: m Serviço: host-a-host m Sem escolha: rede provê ou um ou o outro m Implementação: no núcleo da rede

4: Camada de Rede 4a-13 Circuitos virtuais r estabelecimento de cada chamada antes do envio dos dados r cada pacote tem ident. de CV (e não endereços origem/dest) r cada roteador no caminho da-origem-ao-destino mantém “estado” para cada conexão que o atravessa r recursos de enlace, roteador (banda, buffers) podem ser alocados ao CV “caminho da-origem-ao-destino se comporta como um circuito telefônico” m em termos de desempenho m em ações da rede ao longo do caminho da-origem-ao-destino

4: Camada de Rede 4a-14 CV x datagrama Começa com uma apresentação entre os hospedeiros de origem e de destino (redes ATM e frame relay). Um serviço de camada de rede não orientado para conexão não tem nenhuma apresentação preliminar. (internet)

4: Camada de Rede 4a-15 Tabela de encaminhamento Número do CV número da interface Interface de entrada # CV de entrada Interface de saída # CV de saída … … Tabela de encaminhamento no roteador noroeste: Roteadores mantêm informação sobre o estado da conexão!

4: Camada de Rede 4a-16 Circuitos virtuais: protocolos de sinalização r usados para estabelecer, manter, destruir CV r usados em ATM, frame-relay, X.25 r não usados na Internet de hoje aplicação transporte rede enlace física aplicação transporte rede enlace física 1. inicia chamada 2. chegada de chamada 3. chamada aceita 4. conexão completa 5. começa fluxo de dados 6. dados recebidos

4: Camada de Rede 4a-17 Rede de datagramas: o modelo da Internet r não requer estabelecimento de chamada na camada de rede r roteadores: não guardam estado sobre conexões fim a fim m não existe o conceito de “conexão” na camada de rede r pacotes são roteados tipicamente usando endereços de destino m 2 pacotes entre o mesmo par origem-destino podem seguir caminhos diferentes aplicação transporte rede enlace física aplicação transporte rede enlace física 1. envia dados 2. recebe dados

4: Camada de Rede 4a-18 Tabela de encaminhamento Faixa de Endereços de Destino Interface de Saída a a a caso contrário 3 4 bilhões de entradas possíveis

4: Camada de Rede 4a-19 Casamento com o prefixo mais longo Casamento com o prefixo Interface de Saída caso contrário 3 ED: Exemplos ED: Qual interface?

4: Camada de Rede 4a-20 Capítulo 4: Camada de Rede r 4. 1 Introdução r 4.2 Redes baseadas em circuitos virtuais e datagramas r 4.3 O que existe dentro de um roteador r 4.4 IP: Internet Protocol m Formato do datagrama m Endereçamento IPv4 m ICMP m IPv6 r 4.5 Algoritmos de roteamento m Estado de enlaces m Vetor de distâncias m Roteamento hierárquico r 4.6 Roteando na Internet m RIP m OSPF m BGP r 4.7 Roteamentos broadcast e multicast

4: Camada de Rede 4a-21 Três tipos de matriz de comutação

4: Camada de Rede 4a-22 Comutação via Memória Roteadores da primeira geração: r pacote copiado pelo processador (único) do sistema r velocidade limitada pela largura de banda da memória (2 travessias do barramento por datagrama) Porta de Entrada Porta de Saída Memória Barramento do Sistema Roteadores modernos: r processador da porta de entrada consulta tabela, copia para a memória r Cisco Catalyst 8500

4: Camada de Rede 4a-23 Comutação via Barramento r datagrama da memória da porta de entrada à memória da porta de saída via um barramento compartilhado r contenção pelo barramento: taxa de comutação limitada pela largura de banda do barramento r Barramento de 1 Gbps, Cisco 1900: velocidade suficiente para roteadores de acesso e corporativos (mas não regionais ou de backbone)

4: Camada de Rede 4a-24 Comutação via uma Rede de Interconexão r supera limitações de banda dos barramentos r Redes Banyan, outras redes de interconexão desenvolvidas inicialmente para interligar processadores num multiprocessador r Projeto avançado: fragmentar datagrama em células de tamanho fixo, comutar células através da matriz de comutação. r Cisco 12000: comuta N Gbps pela rede de interconexão.

4: Camada de Rede 4a-25 Porta de Saída r Buffers necessários quando datagramas chegam da matriz de comutação mais rapidamente que a taxa de transmissão r Disciplina de escalonamento escolhe um dos datagramas enfileirados para transmissão

4: Camada de Rede 4a-26 Filas na Porta de Saída r usa buffers quando taxa de chegada através do comutador excede taxa de transmissão de saída r enfileiramento (retardo), e perdas devidas ao transbordo do buffer da porta de saída!

4: Camada de Rede 4a-27 Filas na Porta de Entrada r Se matriz de comutação for mais lenta do que a soma das portas de entrada juntas -> pode haver filas nas portas de entrada r Bloqueio cabeça-de-linha : datagrama na cabeça da fila impede outros na mesma fila de avançarem r retardo de enfileiramento e perdas devido ao transbordo do buffer de entrada!

4: Camada de Rede 4a-28 Capítulo 4: Camada de Rede r 4. 1 Introdução r 4.2 Redes baseadas em circuitos virtuais e datagramas r 4.3 O que existe dentro de um roteador r 4.4 IP: Internet Protocol m Formato do datagrama m Endereçamento IPv4 m ICMP m IPv6 r 4.5 Algoritmos de roteamento m Estado de enlaces m Vetor de distâncias m Roteamento hierárquico r 4.6 Roteando na Internet m RIP m OSPF m BGP r 4.7 Roteamentos broadcast e multicast

4: Camada de Rede 4a-29 A Camada de Rede na Internet Tabela de encam. Funções da camada de rede em estações, roteadores: Protocolos de rot. seleção de rotas RIP, OSPF, BGP protocolo IP convenções de endereços formato do datagrama convenções de manuseio do pct protocolo ICMP relata erros “sinalização” de roteadores Camada de transporte: TCP, UDP Camada de enlace Camada física Camada de rede

4: Camada de Rede 4a-30 Capítulo 4: Camada de Rede r 4. 1 Introdução r 4.2 Redes baseadas em circuitos virtuais e datagramas r 4.3 O que existe dentro de um roteador r 4.4 IP: Internet Protocol m Formato do datagrama m Endereçamento IPv4 m ICMP m IPv6 r 4.5 Algoritmos de roteamento m Estado de enlaces m Vetor de distâncias m Roteamento hierárquico r 4.6 Roteando na Internet m RIP m OSPF m BGP r 4.7 Roteamentos broadcast e multicast

4: Camada de Rede 4a-31 Formato do datagrama IP ver comprimento 32 bits dados (comprimento variável, tipicamente um segmento TCP ou UDP) ident. 16-bits checksum Internet sobre- vida endereço IP de origem 32 bits número da versão do protocolo IP comprimento do cabeçalho (bytes) número máximo de enlaces restantes (decrementado a cada roteador) para fragmentação/ remontagem comprimento total do datagrama (bytes) protocolo da camada superior ao qual entregar os dados comp. cab tipo de serviço “tipo” dos dados (DS) bits início do fragmento camada superior endereço IP de destino 32 bits Opções (se tiver) p.ex. marca de tempo, registrar rota seguida, especificar lista de roteadores a visitar. Quanto overhead com o TCP? r 20 bytes do TCP r 20 bytes do IP r = 40 bytes + overhead cam. aplic.

4: Camada de Rede 4a-32 IP: Fragmentação & Remontagem r cada enlace de rede tem MTU (max.transmission unit) - maior tamanho possível de quadro neste enlace. m tipos diferentes de enlace têm MTUs diferentes r datagrama IP muito grande dividido (“fragmentado”) dentro da rede m um datagrama vira vários datagramas m “remontado” apenas no destino final m bits do cabeçalho IP usados para identificar, ordenar fragmentos relacionados fragmentação: entrada: um datagrama grande saída: 3 datagramas menores remontagem

4: Camada de Rede 4a-33 IP: Fragmentação & Remontagem ID =x início =0 bit_frag =0 compr =4000 ID =x início =0 bit_frag =1 compr =1500 ID =x início =185 bit_frag =1 compr =1500 ID =x início =370 bit_frag =0 compr =1040 um datagrama grande vira vários datagramas menores Exemplo r Datagrama de 4000 bytes r MTU = 1500 bytes 1480 bytes de dados início = 1480/8

4: Camada de Rede 4a-34 Capítulo 4: Camada de Rede r 4. 1 Introdução r 4.2 Redes baseadas em circuitos virtuais e datagramas r 4.3 O que existe dentro de um roteador r 4.4 IP: Internet Protocol m Formato do datagrama m Endereçamento IPv4 m ICMP m IPv6 r 4.5 Algoritmos de roteamento m Estado de enlaces m Vetor de distâncias m Roteamento hierárquico r 4.6 Roteando na Internet m RIP m OSPF m BGP r 4.7 Roteamentos broadcast e multicast

4: Camada de Rede 4a-35 Endereçamento IP: introdução r endereço IP: ident. de 32-bits para interface de estação, roteador r interface: conexão entre estação, roteador e enlace físico m roteador típico tem múltiplas interfaces m estação pode ter múltiplas interfaces m endereço IP associado à interface, não à estação ou roteador =

4: Camada de Rede 4a-36 Sub-redes r endereço IP: m parte de rede (bits de mais alta ordem) m parte de estação (bits de mais baixa ordem) r O que é uma subrede IP? (da perspectiva do endereço IP) m interfaces de dispositivos com a mesma parte de rede nos seus endereços IP m podem alcançar um ao outro sem passar por um roteador Esta rede consiste de 3 redes IP LAN

4: Camada de Rede 4a-37 Sub-redes / / /24 Máscara da sub-rede: /24 Receita r desassociar cada interface do seu roteador, estação r criar “ilhas” de redes isoladas r cada rede isolada é uma sub-rede

4: Camada de Rede 4a-38 Sub-redes Quantas sub-redes?

4: Camada de Rede 4a-39 parte de estação Endereçamento IP : CIDR r CIDR: Classless InterDomain Routing m parte de rede do endereço de comprimento arbitrário m formato de endereço: a.b.c.d/x, onde x é no. de bits na parte de rede do endereço parte de rede /23

4: Camada de Rede 4a-40 Endereços IP: como conseguir um? Q: Como o host obtém um endereço IP?  codificado pelo administrador num arquivo  Windows: Painel de controle->Rede- >Configuração>tcp/ip->propriedades  UNIX: /etc/rc.config  DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: obtém endereço dinamicamente de um servidor  “plug-and-play” (mais no próximo capítulo)

4: Camada de Rede 4a-41 Endereços IP: como conseguir um? Bloco do /20 provedor Organização /23 Organização /23 Organização /23... ….. …. …. Organização /23 Q: Como a rede obtém a parte de rede do endereço IP? A: Recebe uma porção do espaço de endereços do seu ISP

4: Camada de Rede 4a-42 Endereçamento hierárquico: agregação de rotas “mande-me qq coisa com endereços que começam com /20” / / /23 Provedor A Organização 0 Organização 7 Internet Organização n 1 Provedor B “mande-me qq coisa com endereços que começam com /16” /23 Organização Endereçamento hierárquico permite anunciar eficientemente informação sobre rotas:

4: Camada de Rede 4a-43 Endereçamento hierárquico: rotas mais específicas Provedor B tem uma rota mais específica para a Organização 1 “mande-me qq coisa com endereços que começam com /20” / / /23 Provedor A Organização 0 Organização 7 Internet Organização 1 Provedor B “mande-me qq coisa com endereços que começam com /16 ou /23” /23 Organização

4: Camada de Rede 4a-44 Endereçamento IP: a última palavra... P: Como um provedor IP consegue um bloco de endereços? A: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers m aloca endereços m gerencia DNS m aloca nomes de domínio, resolve disputas (no Brasil, estas funções foram delegadas ao NIC.br pelo Comitê Gestor Internet BR –

4: Camada de Rede 4a-45 NAT: Network Address Translation rede local (e.x., rede caseira) /24 resto da Internet Datagramas com origem ou destino nesta rede usam endereços /24 para origem e destino (como usual) Todos os datagramas deixando a rede local têm o mesmo único endereço IP NAT origem: , e diferentes números de porta origem

4: Camada de Rede 4a-46 NAT: Network Address Translation r Motivação: a rede local usa apenas um endereço IP, no que concerne ao mundo exterior: m não há necessidade de alocar faixas de endereços do ISP: apenas um endereço IP é usado para todos os dispositivos m pode modificar endereços de dispositivos na rede local sem notificar o mundo exterior m pode trocar de ISP sem mudar os endereços dos dispositivos na rede local m dispositivos dentro da rede local não são explicitamente endereçáveis, i.e., visíveis do mundo exterior (um incremento de segurança)

4: Camada de Rede 4a-47 NAT: Network Address Translation Implementação: um roteador NAT deve: m datagramas saindo: trocar (IP origem, # porta ) de cada datagrama saindo para (IP NAT, novo # porta)... clientes/servidores remotos vão responder usando (IP NAT, novo # porta) como endereço destino. m lembrar (na tabela de tradução NAT) cada par de tradução (IP origem, # porta ) para (IP NAT, novo # porta) m datagramas entrando: trocar (IP NAT, novo # porta) nos campos de destino de cada datagrama entrando para o (IP origem, # porta) correspondente armazenado na tabela NAT

4: Camada de Rede 4a-48 NAT: Network Address Translation O: , 3345 D: , : host envia datagrama p/ , 80 Tabela de tradução NAT end. lado WAN end. lado LAN , , 3345 …… O: , 80 D: , O: , 5001 D: , : roteador NAT muda end. origem do datagrama de , 3345 p/ , 5001, e atualiza tabela O: , 80 D: , : Resposta chega p/ end. destino: , : roteador NAT muda end. destino do datagrama de , 5001 p/ , 3345

4: Camada de Rede 4a-49 NAT: Network Address Translation r campo do número de porta com 16-bits: m conexões simultâneas com um único endereço no lado WAN! r NAT é controverso: m roteadores deveriam processar somente até a camada 3 m viola o argumento fim-a-fim possibilidade do uso de NAT deve ser levado em conta pelos projetistas de aplicações (p.e., P2P) m escassez de endereços, por outro lado, deveria ser resolvida com o IPv6

4: Camada de Rede 4a-50 Capítulo 4: Camada de Rede r 4. 1 Introdução r 4.2 Redes baseadas em circuitos virtuais e datagramas r 4.3 O que existe dentro de um roteador r 4.4 IP: Internet Protocol m Formato do datagrama m Endereçamento IPv4 m ICMP m IPv6 r 4.5 Algoritmos de roteamento m Estado de enlaces m Vetor de distâncias m Roteamento hierárquico r 4.6 Roteando na Internet m RIP m OSPF m BGP r 4.7 Roteamentos broadcast e multicast

4: Camada de Rede 4a-51 ICMP: Internet Control Message Protocol r usado por estações, roteadores para comunicar informação s/ camada de rede m relatar erros: estação, rede, porta, protocolo inalcançáveis m pedido/resposta de eco (usado por ping) r camada de rede “acima de” IP: m msgs ICMP transportadas em datagramas IP r mensagem ICMP: tipo, código mais primeiros 8 bytes do datagrama IP causando erro Tipo Código descrição 0 0 resposta de eco (ping) 3 0 rede dest. inalcançável 3 1 estação dest. inalcançável 3 2 protocolo dest. inalcançável 3 3 porta dest. inalcançável 3 6 rede dest. desconhecida 3 7 estação dest. desconhecida 4 0 abaixar fonte (controle de congestionamento - ñ usado) 8 0 pedido eco (ping) 9 0 anúncio de rota 10 0 descobrir roteador 11 0 TTL (sobrevida) expirada 12 0 erro de cabeçalho IP

4: Camada de Rede 4a-52 Traceroute e ICMP r Origem envia uma série de segmentos UDP para o destino m Primeiro tem TTL =1 m Segundo tem TTL=2, etc. m Número de porta improvável r Quando n-ésimo datagrama chega ao n-ésimo roteador: m Roteador descarta datagrama m Envia p/ origem uma mensagem ICMP (tipo 11, código 0) m Mensagem inclui nome e endereço IP do roteador r Quando a mensagem ICMP chega, origem calcula RTT r Traceroute faz isto 3 vezes Critério de parada r Segmento UDP eventualmente chega à estação destino r Destino retorna pacote ICMP “porta inalcançável” (tipo 3, código 3) r Quando origem recebe este pacote ICMP, pára.

4: Camada de Rede 4a-53 Capítulo 4: Camada de Rede r 4. 1 Introdução r 4.2 Redes baseadas em circuitos virtuais e datagramas r 4.3 O que existe dentro de um roteador r 4.4 IP: Internet Protocol m Formato do datagrama m Endereçamento IPv4 m ICMP m IPv6 r 4.5 Algoritmos de roteamento m Estado de enlaces m Vetor de distâncias m Roteamento hierárquico r 4.6 Roteando na Internet m RIP m OSPF m BGP r 4.7 Roteamentos broadcast e multicast

4: Camada de Rede 4a-54 IPv6 r Motivação inicial: espaço de endereços de 32- bits em breve completamente alocado. r Motivação adicional: m formato do cabeçalho facilita acelerar processamento/re-encaminhamento m mudanças no cabeçalho para facilitar QoS m novo endereço “anycast”: rota para o “melhor” de vários servidores replicados r formato do datagrama IPv6: m cabeçalho de tamanho fixo de 40 bytes m não admite fragmentação

4: Camada de Rede 4a-55 Cabeçalho IPv6 Prioridade: identifica prioridade entre datagramas no fluxo Rótulo do Fluxo: identifica datagramas no mesmo “fluxo” (conceito de “fluxo” mal definido). Próximo cabeçalho: identifica protocolo da camada superior para os dados

4: Camada de Rede 4a-56 Outras mudanças em relação ao IPv4 r Checksum: removido completamente para reduzir tempo de processamento a cada roteador r Opções: permitidas, porém fora do cabeçalho, indicadas pelo campo “Próximo Cabeçalho” r ICMPv6: versão nova de ICMP m tipos adicionais de mensagens, p.ex. “Pacote Muito Grande” m funções de gerenciamento de grupo multiponto

4: Camada de Rede 4a-57 Transição de IPv4 para IPv6 r Nem todos os roteadores podem ser atualizados simultaneamente m “dias de mudança geral” inviáveis m Como a rede pode funcionar com uma mistura de roteadores IPv4 e IPv6? r Tunelamento: datagramas IPv6 carregados em datagramas IPv4 entre roteadores IPv4

4: Camada de Rede 4a-58 Tunelamento IPv6 dentro de IPv4 quando necessário