capítulo 2 modelos de redes
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2.1
Capítulo 2
Modelo de Redes
Prof. Rodrigo Ronner [email protected]
rodrigoronner.blogspot.com
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2.2
Modelos de Rede
Rede de Computadores: Uma rede de computadores é um
conjunto de dois ou mais dispositivos (também chamados de
nós) que usam um conjunto de regras (protocolo) em comum
para compartilhar recursos (hardware, troca de mensagens)
entre si, através de uma rede.
Rede é uma combinação de hardware e software que envia
dados de uma localidade a outra.
O hardware consiste no equipamento físico que transporta
sinais de um ponto ao outro da rede.
O software consiste em conjunto de instruções que tornam
possível os serviços que esperamos de uma rede.
2.3
2-1 Tarefas Distribuídas em Camadas
Usamos o conceito de camadas em nossa vida diária.
Como exemplo, vamos considerar dois amigos que se
comunicam através de correio postal. O processo de
enviar uma carta a um amigo seria complexo se não
houvesse serviços disponíveis a partir da estação de
correios.
Emissor, Receptor, and Transportador
Hierarquia
Topics discussed in this section:
2.4
Figure 2.1 Tasks involved in sending a letter
2.5
2-1 Hieraquia
Existem três atividades distintas no lado do remetente e
outras três atividades no lado do destinatário.
A Tarefa de transportar a carta do remetente para
destinatário é realizada pelo transportador.
Algo que não é óbvio à primeira vista é que as tarefas
devem ser realizadas na sequência correta pela
hieraquia.
No lado do remetente, a carta deve ser escrita e
colocada em uma caixa de correio antes de ser coletada
pelo transportador e entregue a agência dos correios.
No lado do destinatário, a carta deve ser colocada na
caixa postal dos destinatário antes de poder ser pega e
lida por este.
2.6
2-1 Hieraquia
Serviços:
O Modelo em camada que dominou a literatura sobre
comunicações de dados, e rede antes da década de 1990
foi o modelo OSI (Open Systems Interconnection).
Todo mundo acreditava que o modelo OSI se tornaria o
padrão final para comunicação de dados.
O conjunto de protocolo TCP/IP acabou se tornando a
arquitetura comercial predomiannte.
2.7
2-2 O Modelo OSI
Fundada em 1947, a International Standards
Organization (ISO) é um orgão que se dedica ao
estabelecimento de acordos mundiais sobre padrões
internacionais, e conta com a participação de várias
nações. Um padrão ISO, que abrange todos os aspectos
da rede de comunicações é o modelo Open Systems
Interconnection (OSI). Foi introduzido pela primeira
vez no final de 1970.
Arquitura em Camadas
Processos Peer-to-Peer
Encapsulamento
Topics discussed in this section:
2.8
2-2 O Modelo OSI
O Modelo OSI é composto por sete camadas;
Ao desenvolver o modelo, os projetistas dissecaram o processo
de transmissão de dados em seus elementos mais fundamentais.
Eles identificaram quais funções de rede tinham usos
relacionados e reuniram essas informações em grupos discretos,
que se tornaram as camadas do modelo.
Cada camada define uma familia de funções distintas daquelas
realizadas nas demais camadas.
O fato mais importante é que o modelo OSI permite a
interoperabilidade completa entre sistemas outrora
incompatíveis.
2.9
Figure 2.2 Seven layers of the OSI model
2.10
2-2 Processos Peer-to-peer
Na camada física, a comunicação é direta, o dispositivo A envia um
fluxo de bits ao dispositivo B (através de nós intermediários).
Nas camadas mais altas, entretanto, a comunicação deve mover-se
pelas camadas do dispositivo A, em seguida ao dispositivo B e
então retornar através das camadas.
Cada camada no dispositivo emissor acrescenta suas próprias
informações à menssagem que ela recebe da camada superior e
passa o pacote inteiro à camada imediatamente inferior.
Na camada 1, o pacote inteiro é convertido para forma que possa
ser transmitido ao dispositivo receptor.
Na máquina receptora, a mensagem é aberta, camada por camada,
com cada processo recebendo e retirando os dados a ele destinados.
2.11
2-2 Interface entre Camadas
A passagem, de cima para baixo, de dados e
informações de rede pelas camadas do dispositivo
emissor e depois de volta através das camadas do
dispositivo receptor é possível graças a uma interface
entre cada par de camadas adjacentes.
Cada interface define as informações e serviços que
uma camada deve fornecer para camada superior.
Desde que uma camada forneça os serviços esperados
para a camada superior, a implementação específica de
suas funções pode ser modificada ou substituída, sem
exigir mudanças nas camadas adjacentes.
2.12
Figure 2.3 The interaction between layers in the OSI model
2.13
2-2 Organização das Camadas
As camadas podem ser imaginadas como pertecentes a três subgrupos:
As Camadas 1, 2 e 3 – Física, enlace e Rede – São camadas de suporte à rede;
elas lidam com os aspectos físicos da movimentação de dados de um
dispositivo para outro.
As Camadas 5, 6 e 7 – Sessão, Apresentação e Aplicação – podem ser
imaginadas como as camadas de suporte ao usuário; elas possibilitam a
interoperabilidade entre sistemas de software.
A Camada 4, camada de transporte, conecta os dois subgrupos e garante que o
consigam utilizar.
As camadas superiores são quase sempre implementadas via software; as
camadas inferiores são uma combinação de hardware e software, execeto pela
camada física que é praticamente hardware.
2.14
Figure 2.4 An exchange using the OSI model
2.15
2-2 Encapsusamento
A figura 2.3 revela outro aspecto da comunicação de dados no
modelo OSI: o encapsulamento.
Um pacote (cabeçalho e dados) na camada 7 é encapsulado em
um pacote na camda 6.
O Pacote inteiro na camada 6 é encapsulado em um pacote na
camada 5 e assim por diante.
Em outras palavras, a parte de dados de um pacote no nível N-1
transporta o pacote inteiro (dados e cabeçalho e quem sabe
trailer).
2.17
2-3 Camadas do Modelo OSI
Descreveremos as funções de cada camada do modelo
OSI
Camada Física
Camada de Enlace de dados
Camada de Rede
Camada de Transporte
Camada de Sessão
Camada de Apresentação
Camada de Aplicação
Topics discussed in this section:
2.18
2-3 Camada Física
A camada física coordena as funções necessárias para
transportar um fluxo de bits através de um meio físico.
Ela trata das especificações mecânicas e elétricas da
interface e do meio de transmissão.
Ela também define procedimentos e funções que os
dispositivos físicos e interfaces têm de executar para que
a transmissão seja possível.
2.19
Figure 2.5 Physical layer
2.20
A camada física e responsável pela movimentação
de bits individuais de um Hop para o seguinte.
Note
2.21
2-3 Camada Física
Funções
Caracteristicas físicas das interfaces e do meio de transmissão: Define as
caracteristicas da interface entre os dispositivo e o meio de transmissão.
Representação de bits: Os dados na camada física são formados por um fluxo de
bits (sequência de 0s ou 1s) sem nenhuma interpretação, para serem transmitidos
os bits devem ser codificados em sinais o elétricos ou ópticos.
Taxa de Dados: o número de bits enviados a cada segundo – também é definido
na camada física.
Sincronização de bits: o emissor e o receptor não apenas têm de usar a mesma
taxa de transmissão de bits como também devem estar sincronizados em nível de
bit.
2.22
2-3 Camada de Enlace
Transforma a camada física, de um meio de transmissão
bruto, em um link confiável.
Ela faz que a camada física pareça livre de erros para a
camada superior (camada de rede).
2.23
Figure 2.6 Data link layer
2.24
A camada de enlace é responsável pela
Transferência de frames de um hop para o seguinte,
Note
2.25
2-3 Camada de Enlace Funções
Empacotamento: divide o fluxo de bits recebidos da camada de rede em unidades de
dados gerenciáveis denominamos frames.
Endereçamento Físico: Se os frames forem distribuídos em sistemas diferentes na
rede, a camada de enlace de dados acrescenta um cabeçalho ao frame para definir o
emissor e/ou receptor
Controle de Fluxo: Se a velocidade na qual os dados são recebidos pelo receptor for
menor que a velocidade na qual os dados são transmitidos pelo emissor, a camada de
enlace de dados impõe um mecanismo de controle de fluxo.
Controle de erros: acrescenta confiabilidade a camada física adicionando mecanismos
para detectar e retransmitir frames danificados, perdidos ou duplicados. Normalmente,
o controle de erros é obtido por meio de um trailer acrescentado ao final do quadro.
Controle de Acesso: Quando dois os mais dispositivos estiverem conectados ao
mesmo link são necessários protocolos da camada de enlace de dados para determinar
qual dispositivo assumirá o controle do link em dado instante.
2.26
Figure 2.7 Hop-to-hop delivery
2.27
2-3 Camada de Rede
É responsável pela entrega de um pacote desde sua
origem até o seu destino, provavelmente através de
várias redes(links).
Embora a camada de enlace coordene a entrega do
pacote entre dois sistemas na mesma rede(links), a
camada de rede garante que cada pacote seja transmitido
de seu ponto de origem até seu destino final.
2.28
Figure 2.8 Network layer
2.29
A camada de rede é responsável pela entrega de pacotes
Individuais desde o host de origem até o host de destino.
Note
2.30
2-3 Camada de Rede
Funções
Endereçamento Lógico: O endereçamento física trata do problema
de endereçemento localmente. Se um pacote ultrapassar os limites da
rede precisaremos de um outro sistema de endereçamento.
Roteamento: Quando redes ou links independentes estiverem
conectados para criar internetworks (rede de redes) ou uma grande
rede, os dispositivos de conexão (chamados roteadores ou
comutadores) encaminham ou comutam os pacotes para seus
destinos finais.
2.31
Figure 2.9 Source-to-destination delivery
2.32
2-3 Camada de Transporte
É responsável pela entrega processo a processo de toda
a mensagem.
Embora a camada de rede coordene a entrega origem ao
destino dos pacotes individuais, ela não reconhece
qualquer relação entre os processos.
2.33
A camada de transporte é responsável pela
Entrega de uma mensagem, de um processo a outro.
Note
2.34
Figure 2.10 Transport layer
2.35
2-3 Camada de Transporte
Endereçamento do ponto de acesso ao serviço: Normalmente os computadores
executam vários processos ao mesmo tempo. Por essa razão, a entrega origem-ao-
destino significa a entrega não apenas de um computador ao outro, mas também de um
processo em execução em um computador a outro processo em outro computador
(Endereçamento de Porta).
Segmentação e Remontagem: Uma mensagem e dividida em segmentos
transmissíveis, com cada segmento contendo um número de sequência.
Controle de conexão: A camada de transporte pode ser orientada a conão como não.
Controle de Fluxo: Assim como camada de enlace, a camada de transporte é
responsável pelo controle de fluxo. Entretando, o controle de fluxo nessa camada é
realizada de uma extremedida à outra e não apenas em um único link.
Controle de erros: Assim como camada de enlace, a camada de transporte é
responsável pelo controle de erros. Entretando, o controle de erros nessa camada é
realizada processo- a-processo e não apenas em único link. Normalmente, essa
correção é conseguida por meio de retransmissão.
2.36
Figure 2.11 Reliable process-to-process delivery of a message
2.37
2-3 Camada de Sessão
Os serviços providos pelas três primeiras camadas, não
são suficientes para alguns processos.
A camda de sessão é o controlador de diálogo da rede.
Ela estabelece, mantém e sincroniza a interação entre
sistemas que se comunicam entre si.
2.38
A camada se ssão é responsável pelo controle de diálogo e
sincronização.
Note
2.39
2-3 Camada de Sessão
Controle de diálogo: possibilita a dois sistemas
estabelecerem um diálogo. Ela permite que a
comunicão entre dois processos ocorra em modo half-
duplex ou full-duplex.
Sincronização: permite que dois processos adicione
pontos de verificação ou ponto de sincronização, a um
fluxo de dados.
2.40
Figure 2.12 Session layer
2.41
2-3 Camada de Apresentação
É responsável pela sintaxe e semântica das informações
trocadas entre dois sistemas.
2.42
A camada de apresentação é responsável pela tradução,
compressão e criptografia.
Note
2.43
2-3 Camada de Apresentação
Tradução: normalmente, processos (programas em
execução) em dois sistemas em geral trocam informações na
forma de números e assim por diante, as informações têm de
ser convertidas em fluxo de bits antes de serem transmitidas.
Criptografia: significa que o emissor converter as
informações originais em um outro formato e envia a
mensagem resultante pela rede. A descriptografia reverte o
processo original convertendo a mensagem de volta ao seu
formato original.
Compressão: reduz o número de bits contidos nas
informações.
2.44
Figure 2.13 Presentation layer
2.45
2-3 Camada de Aplicação
Habilita o usuário, seja ele humano ou software, a acessar a
rede.
Ela fornece interface com o usuário e suporte a serviços,
como e-mail, acesso e transferência de arquivos remotos,
gerenciamento de banco de dados compartilhados e outros
tipos de serviços de informação distribuídas.
2.46
Figure 2.14 Application layer
2.47
A camada de Aplicação é responsável por prover serviços ao
usuário.
Note
2.48
2-3 Camada de Aplicação
Terminal Virtual: um terminal de rede virtual é uma versão em
software de um terminal físico (real) e que permite ao usuário
fazer o logon em um host remoto.
Transferência, acesso e gerenciamento de arquivos: essa
aplicação permite a um usuário acessar arquivos em um host
remoto (fazer alterações ou ler dados), recuperar arquivos de um
computador remoto para uso em um computador local.
Serviços de correio eletrônico: Essa aplicação fornece a base
para o encaminhamento e armazenamento de e-mails.
Serviços de diretório: Essa aplicação fornece fontes de bancos
de dados distribuídos e acesso a informações globais sobre vários
itens e serviços.
2.49
Figure 2.15 Resumo das camadas
2.50
2-4 TCP/IP PROTOCOL SUITE
As camadas do conjunto de protocolos TCP / IP não
corresponder exatamente aos do modelo OSI. O TCP
original / conjunto de protocolos IP foi definido como
tendo quatro camadas: host-a-rede, internet,
transporte e aplicação. No entanto, quando o TCP / IP
é comparado a OSI, podemos dizer que o conjunto de
protocolos TCP / IP é feita de cinco camadas: física,
enlace de dados, rede, transporte e aplicação.
Física e Enlace de Dados
Camada de Rede
Camada de Transporte
Camada de Aplicação
Temas discutidos nesta seção:
2.51
Figure 2.16 TCP/IP and OSI model
TCP/IP: Camada de Física e de Enlace
Camada Física e de Enlace
Nas camadas física e de enlace, o TCP/IP não define nenhum
protocolo específico. Ele suporta todos os protocolos-padrão e
proprietários. Uma rede em uma internetworking TCP/IP pode
ser uma rede local (LAN) ou uma rede de ampla abrangência
(WAN)
TCP/IP: Camada de Rede
Camada Rede
Na camada de Rede (ou, mais precisamente, a camada de ligação
entre redes), o TCP/IP suporta o Internetworking Protocol (IP).
Este, por sua vez, usa quatro protocolos auxiliares de suporte:
ARP, RARP, ICMP e IGMP.
TCP/IP: Camada de Rede
Internetworking Protocol (IP)
O Internetworking Protocol (IP) é um mecanismo de
transmissão usada pelos protocolos TCP/IP trata-se de um
protocolo sem conexão e não confiável – um serviço de entrega
do tipo best-effort, significa dizer que o IP não dispõe de
nenhuma verificação ou correção de erros.
O IP assume a falta de confiabilidade das camadas inferiores e
afaz o melhor possível para transmitir uma mensagem até o seu
destino, sem, contudo, nenhuma garantia de que conseguirá
fazê-lo.
TCP/IP: Camada de Rede
Address Resolucion Protocol
É usado para associar um endereço lógico a um endereço físico.
Em uma rede física, típica como uma LAN, cada dispositivo em
um link é identificado por um endereço físico gravado no
adaptador de rede (NIC). O ARP é usado para descobrir o
endereço físico do nó quando o endereço internet for conhecido.
Ethernet
MAC
00 0D 0A 4A E2 2B
IP
172.16.1.1
MAC
00 0D 0A 4F 77 82
IP
172.16.4.1
ARP - ADDRESS
RESOLUTION
PROTOCOL
TCP/IP: Camada de Rede
Reverse Address Resolution Protocol (RARP)
Permite que um host descubra seu endereço internet quando
conhece apenas seu endereço físico.
É utilizado quando um computador é conectado a uma rede pela
primeira vez ou quando um computador um computador sem
disco é ligado.
TCP/IP: Camada de Rede
Internet Control Message Protocol (ICMP)
É um mecanismo usado por hosts e gateway para enviar
notificações de problemas ocorridos com datagramas de volta ao
emissor.
O ICMP envia mensagens de consulta e de notificação de erros.
TCP/IP: Camada de Rede
Internet Group Message Protocol (IGMP)
É usado para facilitar a transmissão simultânea de uma
mensagem a um grupo de destinatários.
TCP/IP: Camada de Transporte
• Tradicionalmente, a camada de transporte era representada
no TCP/IP por dois protocolos: O TCP e o UDP. IP é um
protocolo host-to-host, significando que ele é capaz de
transmitir um pacote de um dispositivo físico a outro.
• O UDP e o TCP são protocolos do nível de transporte
responsáveis pela entrega de uma mensagem de um processo
(programa em execução) a outro processo.
• Um protocolo de camada de transporte, o SCTP, foi
concebido para atender às necessidades de algumas
aplicações mais recentes.
TCP/IP: Camada de Transporte
Transmission Control Protocol (TCP)
• Fornece serviços mais complexos de camada de transporte para
aplicações.
• O TCP é um protocolo de transporte de fluxo confiável. O termo fluxo
confiável significa orientado a conexão.
• No lado do emissor de cada transmissão, o TCP divide o fluxo de dados em
unidades menores denominados segmentos.
• Cada segmento inclui um número sequencial utilizado para a reordenação
após a recepção, juntamente com número de confirmação dos segmentos
recebidos.
• Os segmentos são transportados pela internet dentro de datagramas IP.
• No Lado do receptor, o TCP coleta cada datagrama da forma como ele
chega e reordena a transmissão baseada nos números de sequência.
TCP/IP: Camada de Transporte
User Datagrama Protocol (UDP)
É um protocolo mais simples dos dois protocolos de transporte
do padrão TCP/IP. É um protocolo processo a processo que
adiciona em seu cabeçalho apenas endereços de portas de origem
e destino, controle de erros (checksum) e informações do
comprimento de campo de dados provenientes das camadas
superiores.
TCP/IP: Camada de Transporte
Stream Control Transmission Protocol (SCTP)
• Provê suporte para as aplicações mais recentes, como voz sobre IP.
• Trata-se de um protocolo de camada de transporte que combina o que há
de melhor no UDP e TCP.
2.68
2-5 Endereçamento
São usados quatro níveis de endereços em uma internet
que emprega os protocolos TCP/IP: endereço físico (links),
endereço lógico (IP), endereços de portas e endereços
específícos.
Endereços Físico
Endereço Lógico
Endereço de Porta
Endereço Específico
Temas discutidos nesta seção:
2.69
Figure 2.17 Endereços no TCP/IP
2.70
Figure 2.18 Relação entre as camadas e os endereços no TCP/IP
Endereços Físicos
• É o endereço de um nó conforme definido por sua LAN ou WAN.
• Ele está incluso no frame (quadro) usado pela camada de enlace, trata-se
do endereço de nível mais baixo.
2.72
Como veremos no capítulo 13, a maioria das redes
locais usa um 48-bit de endereço (6 bytes) física escrito
como 12 dígitos hexadecimais, cada byte (2 dígitos
hexadecimais) é separado por dois pontos, como
mostrado abaixo:
Example 2.2
07:01:02:01:2C:4B
A 6-byte (12 hexadecimal digits) physical address.
2.73
Na Figura 2.19 um nó com endereço físico 10 envia um
quadro para um nó com endereço físico 87. Os dois nós
são ligados por um link (bus topologia LAN). Como
mostra a figura, o computador com endereço físico 10
é o remetente, e um computador com endereço físico
87 é o receptor.
Example 2.1
2.74
Figure 2.19 Physical addresses
Endereços Lógicos
• Os endereços lógicos são necessários para que as comunicações universais
sejam independentes das redes físicas subjacentes.
• Os endereços físicos não são adequados em um ambiente de internetwork
no qual redes diferentes podem ter formatos de endereço diferente.
• É necessário um sistema de endereçamento universal no qual cada host
possa ser identificado de forma única e exclusiva, independente da rede
física subjacente.
• Um endereço lógico na internet é, atualmente, um endereço de 32 bits
capaz de definir de forma única e exclusiva um host conectado à internet.
2.76
Figura 2.20 mostra uma parte de uma internet com
dois roteadores que conectam LANs três. Cada
dispositivo (computador ou roteador) tem um par de
endereços (lógicos e físicos) para cada conexão. Neste
caso, cada computador está ligado a apenas um link e,
portanto, tem apenas um par de endereços. Cada
roteador, no entanto, está ligado a três redes (apenas
dois são mostrados na figura). Assim, cada roteador
tem três pares de endereços, um para cada conexão.
Exemplo 2.3
2.77
Figure 2.20 Endereços IP
2.78
Figura 2.21 mostra dois computadores se comunicam
via Internet. O computador de envio é de três
processos em execução neste momento com porta de
endereços a, b, e c. O computador receptor está
executando dois processos neste momento com
endereços de porta j e k. Um processo no computador
que envia as necessidades para se comunicar com o
processo j no computador receptor. Observe que,
embora endereços físicos para mudar de hop hop,
endereços lógicos e portas permanecem os mesmos da
origem ao destino.
Exemplo 2.4
2.79
Os endereços físicos mudará de hop a hop,
mas os endereços lógicos geralmente permanecem os
mesmos.
Note
Endereços de Portas
• O endereço físico e o endereço IP são necessários para que um conjunto de
dados trafegue de um host origem até o destino. Entretanto, a chegada no
host de destino não é o objetivo final das comunicações de dados na
internet.
• O objetivo principal da internet é de um processo se comunicar com outro.
2.81
Figure 2.21 Endereços de Portas
8
3
The TCP/IP Protocol Suite In Action