Aula 2 - IRL
- 1. Redes de computadores Por: Henrique Quirino Silva Aula 02 • Conectividade • Protocolo IP
- 2. Motivos da falta de adesão ao OSI ◉ Momento ruim • OSI surgiu quando as indústrias já haviam investido no TCP/IP ◉ Tecnologia ruim • Camadas de sessão e apresentação quase vazias • Camadas de enlace e rede muito grandes • Controle de erros reaparece em várias camadas ◉ Implementação ruim • As primeiras implementações continham “bugs” ◉ Política ruim • TCP/IP era associado ao unix, ligado às universidades nos anos 80.
- 3. Modelo TCP/IP ◉ Modelo “de fato” – OSI hoje é apenas conceitual ◉ Características básicas • Protocolos abertos e independentes • Sistema comum de endereçamento • Roteável • Robusto • Escalável ◉ Também usa o conceito de camadas, mas apenas 4 • Acesso à Rede • Internet • Transporte • Aplicação
- 4. Comparativo OSI e TCP/IP
- 5. Encapsulamento – modelo TCP/IP
- 6. Camada de acesso a rede ◉ Corresponde às camadas física e de enlace do modelo OSI ◉ Responsável pelo envio de datagramas da camada internet através do meio físico ◉ Protocolos mais comuns: ATM, X.25, Frame Relay, PPP, Ethernet, ARP
- 7. Camada de internet ◉ Corresponde à camada de rede do modelo OSI ◉ Responsável pelo envio de pacotes entre segmentos de redes ◉ Protocolos: • IP • ICMP • IGMP
- 8. Camada de transporte ◉ Corresponde à camada de transporte do modelo OSI ◉ Garante a comunicação entre os hosts • Estabelece sessões • Reconhece o recebimento de pacotes • Controle de fluxo • Sequenciamento e retransmissão de pacotes ◉ É onde trabalham os protocolos TCP e UDP
- 9. Camada de aplicação ◉ Corresponde às camadas de sessão, apresentação e aplicação do modelo OSI ◉ Provê os serviços que farão a comunicação das aplicações de usuários com a rede ◉ Inclui os protocolos de aplicação que fazem uso dos protocolos ponto‐a‐ponto da camada de transporte ◉ Gerencia as sessões (conexões) entre aplicações • Não confundir: As sessões ponto‐a‐ponto são gerenciadas na camada de transporte!
- 10. Conectividade
- 11. Conectividade - Hubs ◉ Elemento central da rede par trançado ◉ Camada física do modelo OSI ◉ Cascateamento de hubs • Porta Serial – Regra 5‐4‐3 • Porta UTP específica – Hubs são enxergados como um único equipamento (geralmente até 8 equipamentos)
- 12. Conectividade - Hubs ◉ Possui até 24 portas ◉ Funcionamento • Repetidor multiportas • Todo tráfego será enviado a todas as portas (opera na camada 1 – Não conhece endereços MAC) • A estação de destino identificará o pacote e receberá ◉ Dificuldades em redes maiores
- 13. Conectividade - Pontes ◉ Camada de enlace do modelo OSI • Capaz de entender endereços MAC e filtrar tráfego ◉ Basicamente, composta por 2 portas que conectam segmentos de rede ◉ Possui tabela de rotas com endereços MAC • Dados só atravessam a ponte se destinatário estiver no outro segmento • Caso o endereço não exista na tabela, encaminha a mensagem a todos os segmentos ○ Inicialização da ponte ou nova máquina adicionada à rede ◉ Conecta segmentos locais ou remotos (modems) ◉ Pode ser um equipamento físico ou um computador com software dedicado.
- 14. Ponte remota
- 15. Pontes – Vantagens e desvantagens ◉ Vantagens • Segmentação auxilia performance • Reduz domínios de colisão ○ Área lógica onde pacotes podem colidir • Menos máquinas competindo pelo meio de transmissão • Facilidade na instalação • Baixo custo ◉ Desvantagens • Escalabilidade – Poucas portas • Store and forward – processa os frames para verificar o endereço MAC, introduzindo latência na rede
- 16. Conectividade - Switches ◉ Assim como as pontes , funciona na camada de enlace do modelo OSI ◉ Grosso modo, é uma ponte turbinada ◉ Otimiza filtragem e comutação de frames ◉ Cria uma comutação virtual entre origem e destino, isolando demais máquinas • Menos ocorrências de colisão • Menor tráfego na rede • Comunicação full duplex
- 17. Switches – Classificações usuais ◉ Switch “de verdade” – dispositivo clássico de camada 2 ◉ Hub‐switch – Switch com poucas funções (gerenciamento) e portas reduzidas ◉ Switch de camada 3 – Incorpora algumas funções dos roteadores • Definição de rotas • Criação de VLANs ◉ Switches de camada 4 e 7 – Mesmo princípio • Camada 4 – Ex. Distribuição de carga por sessão TCP • Camada 7 – Ex. Distribuição de carga por URL
- 18. Switches – Funcionamento ◉ Tabela de encaminhamento CAM • Associação dos dispositivos às portas • Quando o MAC não está em tabela alguma, encaminha o frame a todas as portas, exceto a de origem • Mesma coisa com Broadcast (MAC FFFF)
- 19. Métodos de Switching ◉ Store and forward • Processa todo o quadro e verifica a integridade (FCS) • Método mais lento, usado também pelas pontes ◉ Cut‐through • Verifica o endereço de destino e encaminha os primeiros bits antes do recebimento completo do frame • Não há verificação FCS ◉ Fragment Free • Funciona de forma semelhante ao Cut‐through, mas verifica os primeiros 64 bytes. • Se houver colisão, será detectada nessa checagem • Não há verificação FCS ◉ Adaptive switching • Combinação dos 3 métodos anteriores. Inicia com Fragment free ou Cut‐ through e adapta conforme a qtd. de erros
- 20. Spanning Tree Protocol (STP) ◉ Finalidade: Evitar loops em uma rede composta por switchs • Loops podem ocorrer caso haja caminhos múltiplos de comunicação (redundância) • STP garante que apenas um caminho esteja disponível em determinado momento, bloqueando os demais • Ativa os caminhos alternativos caso haja defeito na rota principal ◉ Um switch é o raiz e controla o STP na rede
- 21. Spanning Tree Protocol (STP) ◉ CBPDUs (Configuration Bridge Protocol Data Unit) • mensagens trocadas entre os switches para reportar mudanças na topologia ◉ Estados das portas do switches • Blocking: Não encaminha frames, CBPDUs ou aprende endereços MAC • Listening: idem acima, mas encaminha CBPDUs • Learning: Aprende MACs e encaminha CBPDUs • Forwarding: Tudo pode
- 22. Protocolo IP ◉ Atua na camada 3 do modelo OSI ◉ Serviço não confiável (melhor esforço) • Serviço não orientado à conexão • Pode ocorrer corrupção de dados, entrega fora de ordem, etc ◉ Responsável pelo endereçamento ◉ Dados da camada superior são encapsulados em pacotes, para que possa ser roteado • Encaminhamento nó a nó – cabeçalho possui todas as informações necessárias
- 23. Protocolo IP - Datagrama ◉ Estrutura do pacote (datagrama) • IP de origem e de destino • Verificação de erro • TTL (Time to live) – Evita pacotes vagando em loop • Tamanho variável
- 24. Protocolo IP - Datagrama
- 25. Endereço IP ◉ Identificação única do sistema na rede ◉ Possui 4 octetos (32 bits) ◉ Contém endereço da rede e do host ◉ Máscara de subrede • Representações: Decimal (255.255.255.0) ou pelo número de bits (Ex./19)
- 26. Classes dos endereços ◉ Identificados pelo primeiros 4 bits do IP em questão ◉ Classe A: início de 0 a 126 ◉ Classe B: Entre 128 e 191 ◉ Classe C: de 192 a 223 ◉ Endereços reservados • Classe A: 10.x.x.x • Classe B: 172.16.x.x até 172.31.x.x • Classe C: 192.168.x.x • 127.x.x.x (reservado para diagnóstico em redes) ◉ Números reservados: • Primeiro end. Da rede (Ex. X.x.x.0) – Identifica uma rede • Último: (ex X.x.x.255) – Identifica um broadcast
- 27. Uso de Máscaras ◉ Razões topológicas: • Ultrapassar limites de distância • Interligar redes físicas diferentes • Filtrar tráfego entre redes ◉ Razões organizacionais: • Simplifica a administração • Reconhece a estrutura organizacional • Isola tráfego por organização • Isola potenciais problemas
- 28. VLSM ◉ Variable‐length subnet masking ◉ Por que? Máscaras eram “classful” • Trabalham com octetos, então prefixos tinham 8, 16 ou 24 bits ◉ Permite alterar a subnet de uma rede já definida, por utilizar uma máscara de rede não‐padrão ◉ Vários protocolos de roteamento suportam: • BGP • EIGRP • OSPF • IS‐IS ◉ Maximiza o espaço de endereçamento
- 29. VLSM - Exemplo
- 30. CIDR – Classless Inter‐Domain Routing ◉ Alternativa às máscaras de rede IP tradicionais – usa o princípio VLSM ◉ Organiza os Ips em subnets, independentemente dos valores dos Ips ◉ Evita o desperdício de endereços IP • Ex. Grande provedor precisa de 10.000 Ips. Teoricamente, reservaria uma classe B inteira (65K), com 40K endereços sendo desperdiçados ◉ Máscaras menores podem ser agrupadas em blocos • Ex. 8 faixas continuas x.x.x.x/24 podem ser agrupadas em /21 • Beneficia o roteamento ◉ Faixas de endereço podem começar com qualquer número • Ex. IP 73.225.28.12 não é necessariamente Classe A!
- 31. CIDR – Tabelas de IP
- 32. Broadcast ◉ Broadcast = Mensagem destinada a toda uma subrede ◉ Endereço de destino é o último endereço possível da rede • Ex. Rede 172.20.0.0, Mask 255.255.0.0; Broadcast será 172.20.255.255 ◉ Nem todo endereço que termina em .255 é broadcast e nem todo broadcast termina com .255 • O mesmo acontece com endereços de rede (.0)
- 33. Multicast ◉ Multicast = mensagem destinada a um grupo de computadores dentro de uma rede • Mensagem enviada ao IP do grupo • “recebedor” comunica que quer entrar no grupo via IGMP ◉ Cada grupo cria uma árvore de multicast • Árvore pode ser criada com diferentes protocolos do tipo PIM (Protocol Independent Multicast) • Árvores ficam armazenadas nos roteadores • Pouco viável para os roteadores na Internet (a quantidade de árvores seria muito grande)
- 34. Protocolo IP - Vantagens ◉ Procotolo simples • O protocolo provê funcionalidades mínimas para garantir conectividade ◉ Sistemas fim é que tratam funcionalidades mais sofisticadas como controles de erro e fluxo ◉ Alta escalabilidade ◉ Funciona com tecnologias heterogêneas (Ethernet, modem, wireless, satélites) ◉ Suporta aplicações com finalidades diversas (ftp, web, streaming de mídia) ◉ Administração descentralizada
- 35. ICMP ◉ Emite informações de controle e erro para verificar problemas na rede ◉ Aparece quando há: • Impossibilidade de roteamento • Congestionamento na rede ◉ Utiliza o IP para transporte da mensagem ◉ Destino pode ser inalcançável por vários motivos: • Rede ou host inalcançáveis • Porta inalcançável • Rede ou host desconhecidos
- 36. IGMP ◉ Utilizado para Multicast ◉ Parte integrante do protocolo IP • Mensagens são encapsuladas nos datagramas IP ◉ Dois tipos de mensagem • Host Membership Query – enviado pelo roteador para descobrir hosts e grupos • Host Membership Report – resposta do Host ◉ Roteador mantém listas com membros do multicast em suas tabelas
- 37. ARP ◉ Responsável pelo endereço físico correspondente ao endereço camada 3 (IP) • Traduz endereços não só IP ◉ Emissor difunde em broadcast um pacote ARP com o endereço IP de destino, o seu IP e o seu MAC ◉ Quando recebe resposta, esses endereços são armazenados em cache • Reduz latência e carga na rede ◉ RARP – Processo contrário
- 38. ARP - Exemplo
- 39. UDP ◉ User Datagram Protocol – Protocolo de comunicação considerado “barebone”, simples e rápido ◉ Utiliza portas para distinção entre múltiplas aplicações ◉ Não orientado à conexão • Não há handshake entre as máquinas • Cada datagrama é tratado isoladamente ◉ Serviço de “melhor esforço”: • Não garante entrega • Pacotes podem ser perdidos ou chegar fora de ordem
- 40. UDP – O segmento ◉ Portas de Origem e destino ◉ Tamanho do datagrama ◉ Checksum (opcional) ◉ Dados propriamente ditos ◉ Conceito: Pseudo-header • Inclui os endereços de origem/destino do cabeçalho IP no cálculo do Checksum
- 41. UDP - Vantagens ◉ Não há conexão estabelecida = comunicação mais rápida ◉ Simplicidade: Não há estado de conexão na origem ou destino ◉ Overhead menor (cabeçalho tem apenas 8 bytes) ◉ Não há controle de congestionamento = mais velocidade ◉ Aplicações mais comuns: • Streaming multimídia • DNS
- 42. TCP ◉ Serviço de entrega orientado à conexão • Controle de fluxo • Confiabilidade na entrega ◉ Full duplex ◉ Controle de congestionamento ◉ Exige conexão previamente estabelecida para transferência dos dados ◉ Conexão é conhecida como 3‐way Handshake • Origem envia pacote SYN com porta e seq. Inicial • Destino reconhece com um ACK (SYN da origem+ 1) • Origem reconhece o ACK (SYN do destino +1)
- 43. 3‐Way Handshake
- 44. TCP - Conexão ◉ Utiliza portas para identificação na máquina de origem e destino ◉ Cada conexão ponto‐a‐ponto é identificada pelo par (host, porta) de origem e destino (endpoint) • Ex. 128.10.2.3,25 • Como a conexão é identificada pelo par de endpoints, pode haver várias conexões na mesma porta em determinado host
- 45. TCP ◉ Segmento TCP inclui: • Número da porta TCP origem e destino • Número sequencial do pacote • Verificador para garantia de entrega sem erro • Número de reconhecimento que informa que o pacote foi recebido • Flags de identificação (urgent, ack, fin, syn, etc) • Receive Window (controle de fluxo) • Urgent pointer – Informações adicionais para processamento urgente (ex. interrupção de conexão) • Padding – “Enche” o pacote com zeros para que o bit fique múltiplo de 32 bits • Data – Dados em si, tamanho variável
- 46. TCP – O Segmento
- 47. TCP - Window ◉ Controle de fluxo do protocolo ◉ Regula quanta informação pode ser transmitida antes de um ACK ser recebido ◉ Trabalha com buffers de recepção ◉ Origem envia dados em fluxo, sem esperar um ACK individual ◉ Reordena pacotes fora de ordem ◉ Piggybacking – técnica um pouco diferente • Utiliza o próprio frame de dados + ACK
- 48. TCP – Mais sobre segmentos ◉ Maximum Segment Size: Tamanho máximo do segmento • Encontrar o tamanho adequado é complicado! ◉ ACK sinaliza o próximo número sequencial que o destinatário espera receber • TCP corrige informações fora de ordem ◉ Timeout e retransmissão • Valor do timeout é calculado com base na conexão • Round‐trip sample
- 49. TCP – Fluxo de dados
- 50. TCP – Congestion Control ◉ Multiplic. Decrease: Congestion window diminui exponencialmente ◉ Slow‐start: Congestion window aumenta de 1 a cada ACK ◉ Tail Drop: Roteadores descartam datagrama se memória estiver cheia ◉ Random Early Discard (RED) • Queue < tmin: Aceitar datagrama • Queue > tmáx: Rejeitar datagrama • Tmin < Queue < tmax: Descartar datagrama randomicamente
- 51. Exercícios ◉ Hora de fazermos alguns exercícios :D