Clavis Redes -aula_2

Redes ‐ Aula 2
Conectividade
Protocolo IP
Prof. Rodrigo Coutinho
Prof. Rodrigo Coutinho –
prof.rodrigo.coutinho@gmail.com
1

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.
2

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
3

Comparativo OSI e TCP/IP
4

Encapsulamento – modelo TCP/IP
5

Camada de Acesso à 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
6

Camada de Internet
• Corresponde à camada de rede do modelo OSI
• Responsável pelo envio de pacotes entre segmentos de redes
• Protocolos:
– IP
– ICMP
– IGMP
7

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
8

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!
9

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)
10

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
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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
12

Ponte Remota
13

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
14

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
15

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
16

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)
17

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
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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
19

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
20

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
21

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
22

Protocolo IP – Datagrama
23

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)
24

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)
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Classes de 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
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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
27

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
28

VLSM ‐ Exemplo
29

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!
30

CIDR – tabelas de IP
31

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)
32

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)
33

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
34

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
35

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
36

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
37

ARP ‐ Exemplo
38

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
39

UDP ‐ O segmento
40
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

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
41

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)
42

3‐Way Handshake
43

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
44

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
45

TCP – O Segmento
46

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
47

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
48

TCP – Fluxo de dados
49

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
50

Exercícios – Aula 2 – Modelo TCP/IP
• (TRT/2003 – FCC) 36. As camadas do modelo de referência OSI que não
estão presentes no modelo TCP/IP são:
• (A) Aplicação e Apresentação.
• (B) Enlace de dados e Física.
• (C) Apresentação e Sessão.
• (D) Rede e Enlace de dados.
• (E) Sessão e Transporte.
51

Exercícios – Aula 2 – Equipamentos
• (TJPA/2006 – Cespe) A evolução dos equipamentos de rede, juntamente
com fatores ligados a mercado, tem proporcionado o surgimento de
equipamentos do tipo switch com diferentes funcionalidades. Assim, um
switch de camada 2 realiza funções semelhantes às de um roteador,
enquanto um switch de camada 3 realiza as funções de uma bridge.
• (STJ/2004 – Cespe) 54. Um switch é um dispositivo repetidor multiporta.
Sua principal função é o envio e o recebimento, com base em informações
do pacote IP, de quadros de camada 2.
• (Pref. Vitória/07 – Cespe) Se um equipamento do tipo comutador (switch)
ponte for utilizado para interligar segmentos de uma rede local Ethernet,
sempre que um frame for recebido pelo comutador, a retransmissão desse
frame ocorrerá apenas no segmento em que se encontra a máquina de
destino.
52

Exercícios – Aula 2 – Subrede
• (CGU/2008 – Esaf) Considerando a necessidade de endereçar 7
sub‐redes na rede cujo IP (Internet Protocol) é 199.10.0.0, a
máscara aplicável é
• a) 199.10.0.0/24
• b) 199.10.0.0/25
• c) 199.10.0.0/26
• d) 199.10.0.0/27
• e) 199.10.0.0/32
53

Exercícios – Aula 2 – Subrede
• (Senado/2008 – FCC) Os IPS estão na mesma subrede, onde foi
atribuída uma só faixa de endereçamento. Duas máscaras que essa
sub‐rede deve utilizar são:
• (A) 255.255.255.0 e 255.255.255.192.
• (B) 255.255.0.0 e 255.255.224.0.
• (C) 255.255.255.0 e 255.255.255.224.
• (D) 255.255.0.0 e 255.255.240.0.
• (E) 255.255.255.0 e 255.255.255.240.
54

Exercícios – Aula 2 – TCP/IP
• 96. (STF/2008 – Cespe) O valor do byte mais significativo de um
endereço IPv4 determina a classe do endereço e, nesse sentido:
10.0.0.0 identifica uma rede de classe A com endereços não‐privados;
154.3.0.0 é o endereço de broadcast de uma rede classe B;
227.82.157.16 endereça um dispositivo em uma rede classe C.
• 97 MTU é a denominação do tamanho do maior datagrama IP que
pode ser transmitido por uma rede física ao longo de um trajeto. Um
datagrama IP pode ser fragmentado mais de uma vez, mas os
fragmentos necessariamente chegarão ao destino na ordem em que
foram transmitidos na origem.
55

Exercícios – Aula 2 – TCP/UDP
• (STF/2008 – Cespe) 98 Na multiplexação de datagramas realizada pelo IP,
números de porta compostos por 16 bits são usados pelos protocolos de
transporte para identificar os processos nas comunicações; além disso, em
cada cabeçalho IP, um campo identifica o protocolo de transporte que
enviou os dados.
• 99 Quando do estabelecimento de uma conexão TCP, cada dispositivo
envolvido na conexão informa ao outro o número de seqüência que usará
na primeira transmissão de dados através da conexão. Essa sincronização
dos números de seqüência ocorre pela troca de mensagens SYN e ACK.
• 100 O UDP é um protocolo de transporte que não estabelece conexões
antes de enviar dados, não envia mensagens de reconhecimento ao
receber dados, não controla congestionamento, garante que dados sejam
recebidos na ordem em que foram enviados e detecta mensagens
perdidas.
56

Exercícios – Aula 2 – ICMP/IGMP/ARP
• (Pref. Vitória/2007 – Cespe) ‐ Mensagens podem ser geradas pelo
internet control message protocol (ICMP) quando ocorrerem problemas
no processamento de datagramas. Por exemplo, uma mensagem ICMP
será enviada para a máquina que originou um datagrama, quando for
inalcançável o destino desse datagrama.
• (STJ/08 – Cespe) ‐ 114 O protocolo IGMP é utilizado para gerenciamento
de conexões em grupos do tipo broadcast.
• (Pref. Rio Branco/07 – Cespe) 54 O protocolo ARP é responsável pela
tradução de endereços da camada de enlace em endereços IP e vice‐
versa.
• (TCU/07 – Cespe) No modelo OSI da ISO, o protocolo RARP (reverse
address resolution protocol) é um exemplo de protocolo da camada de
transporte.
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Exercícios – Aula 2 – TCP/IP
• (Petrobras/07 – Cespe) A camada de aplicação na arquitetura TCP/IP é
responsável por funções idênticas às das três camadas mais altas da
arquitetura OSI.
• A camada de internetworking utiliza comutação de pacotes, sendo
orientada a conexão.
• A camada de transporte engloba serviços orientados a conexão,
oferecidos pelo protocolo UDP, e não‐orientados a conexão, providos pelo
TCP.
• A camada mais baixa da arquitetura TCP/IP reúne as funções das camadas
física e de enlace da arquitetura OSI, definindo explicitamente os
protocolos a serem utilizados.
58

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