O TCP/IP e Internet Carlos Maurício S. Figueiredo

1. O TCP/IP e InternetCarlos Maurício S. Figueiredo

2. O TCP/IP O TCP/IP Protocolos mais utilizados e conhecidos para ligação inter-redes. São os protocolos da Internet. Divisão em Camadas O modelo da ISO de 7 camadas foi criado antes da ligação inter-redes ser inventada. Assim, o modelo não contém uma camada para protocolos inter-redes. O modelo da ISO dedica uma camada inteira para protocolos de sessão. Esses se tornaram menos importantes à medida que os sistemas de computadores mudaram de grandes sistemas de tempo compartilhado para estações pessoais.

3. O TCP/IP Divisão em Camadas (Cont.)‏ O modelo TCP/IP possui um novo modelo em camadas, que pode ser comparado ao modelo da ISO, mas não se pode corresponder 1 camada de um modelo com 1 camada do outro. O modelo TCP/IP possui 5 camadas.

4. Divisão em Camadas • Físico • Corresponde ao hardware básico de rede, do mesmo modo que a camada 1 do modelo da ISO.

5. Divisão em Camadas • Interface de Rede • Os protocolos da camada 2 especificam como organizar dados em quadros e como um computador transmite quadros através de uma rede. • Semelhante aos protocolos da camada 2 do modelo da ISO.

6. Divisão em Camadas • Inter-Rede (ou Rede) • Os protocolos dessa camada especificam o formato dos pacotes enviados através de uma inter-rede e os mecanismos usados para encaminhar pacotes a partir de um computador através de um ou mais roteadores até um destino final.

7. Divisão em Camadas • Transporte • Protocolos dessa camada especificam como assegurar transferência de dados confiável. • Corresponde à camada 4 da ISO.

8. Divisão em Camadas • Aplicação • Cada protocolo dessa camada especifica como um aplicativo usa uma inter-rede. • Corresponde às camadas 6 e 7 do modelo da ISO.

9. Hosts No TCP/IP existe o conceito de computador host para se referir a qualquer sistema de computadores conectado em uma inter-rede que execute aplicativos. Um host pode ser grande como um mainframe, ou pequeno como um computador de mão. O TCP/IP permite a comunicação entre qualquer par de hosts apesar de possíveis diferenças de hardware.

10. Roteadores Assim como os hosts, roteadores precisam de software de protocolo TCP/IP. Porém, os roteadores não usam protocolos de todas as camadas. Em particular, um roteador não precisa dos protocolos da camada de aplicação para aplicativos tais como transferência de arquivos, pois um roteador não executam esses aplicativos.

11. IP – Internet Protocol

12. IP: Internet Protocol IP - Protocolo da Camada de Rede do TCP/IP. É o protocolo que todos os computadores da internet devem usar para se comunicar. É a “cola” da Internet. Esconde os detalhes das redes físicas e oferece facilidades de uma grande rede virtual. Provê técnicas de entrega independentes dos detalhes de hardware de rede. Provê um esquema de endereçamento de alto nível uniforme (Endereços mantidos por software). Descreve mecanismos para a amarração de endereços IP com endereços de hardware, seja qual for o tipo de hardware de rede. Fornece o serviço de comunicação fundamental em uma inter-rede (Formato de pacotes, roteamento e transmissão de pacotes).

13. Endereçamento IP Endereços de Inter-Rede Não se pode usar endereços físicos, pois uma inter-rede pode incluir múltiplas tecnologias de rede com formatos de endereço diferentes. Assim, o IP define um esquema de endereçamento uniforme e abstrato que atribui a cada host um endereço único. Usuários, programas e camadas mais altas de software usam esses endereços IP para se comunicar.

14. Endereçamento IP Endereços IP Um endereço de Internet (endereço IP) é um número binário de 32 bits único atribuído a um host e usado para toda a comunicação com o host. Cada pacote enviado pela inter-rede deve conter o endereço IP do destino e da origem. Hierarquia de Endereços IP Conceitualmente, um endereço IP é dividido em um prefixo, para a identificação da rede física a qual um host está conectado, e um sufixo, para a identificação de um host individualmente naquela rede.

15. Endereçamento IP Classes de Endereços IP Como uma inter-rede pode incluir tecnologias de rede arbitrárias, ela poderia ser construída de algumas redes físicas grandes e algumas pequenas. Assim, os projetistas escolheram um esquema de endereçamento para se acomodar inter-redes com essas características. Esse esquema divide o espaçamento de endereços IP em três classes primárias, cada classe com um prefixo de tamanho diferente. Os primeiros 4 bits de um endereço determinam a sua classe, o restante é dividido em prefixo e sufixo.

16. Endereçamento IP Classes de Endereços IP (Cont.)‏ Existem cinco classes: A, B e C - Classes primárias; D - Multicasting; e E - reservado para uso futuro.

17. Computando a Classe de um Endereço: Endereçamento IP

18. Endereçamento IP Notação Decimal Pontilhada Geralmente, em vez de representar endereços Ips como números de 32 bits, usa-se uma notação mais conveniente para o entendimento de pessoas, que é a notação decimal pontilhada. Essa notação expressa cada seção de 8 bits do endereço pelo seu valor decimal.

19. Endereçamento IP Notação Decimal Pontilhada (Cont.)‏ A classe de um endereço na notação pontilhada pode ser obtida a partir do valor decimal do primeiro octeto.

20. Divisão do Espaço de Endereçamento O esquema de endereçamento IP não divide o espaço de endereçamento de 32 bits em classes de tamanho igual, e as classes não contém o mesmo número de redes. Endereçamento IP

21. Autoridades para Endereços Na internet, prefixos de rede devem ser únicos. Quando se deseja conectar uma rede na Internet global, obtém-se números de redes de um ISP (Internet Service Providers). Os ISPs coordenam IPs através da Internet Assigned Number Authority. Endereçamento IP

22. Endereçamento IP Um Exemplo de Endereçamento

23. Endereçamento IP Endereços IP Especiais É conveniente ter endereços que podem ser usados para denotar redes ou conjuntos de computadores. Formas de endereços especiais são reservados, isto é, não são atribuídos a hosts. A tabela a seguir mostra formas de IPs especiais.

24. Endereçamento IP Endereços IP Especiais Alguns conjuntos de endereços IP são destinados a redes privadas (sub-redes). Classe A: 10.0.0.0 – 10.255.255.255 Classe B: 172.16.0.0 – 172.31.255.255 Classe C 192.168.0.0 – 192.168.255.255 Exemlos em uma empresa Rede: 200.242.0.*, 201.56.102.*, 192.170.0.* Sub-rede: 192.168.0.*

25. Endereços IP Roteadores e Endereços IP Roteadores também devem ter endereços atribuídos. Um roteador pode conectar múltiplas redes físicas, e cada IP contém um prefixo que especifica uma rede física. Assim, um roteador deve possuir um endereço IP para cada conexão de rede.

26. Resolução de Endereços IP Na rede, mensagens alcançam seu destino através do endereçamento físico, ou seja, do harware de rede. O hardware de rede não entende a abstração criada pelo IP para endereçamento. Assim, um endereço IP precisa ser traduzido para um endereço de hardware equivalente antes que um pacote possa ser enviado. Um host ou roteador usa resolução de endereços quando ele precisa enviar um pacote para outro computador na mesma rede física. Um computador nunca resolve o endereço de um computador que está acoplado a uma rede distante.

27. Resolução de Endereços IP No exemplo a seguir, para A mandar uma mensagem para F: A resolve o endereço de R1 e manda o pacote. R1 resolve o endereço de R2 e manda o pacote. R2 resolve o endereço de F e entrega o pacote.

28. Resolução de Endereços IP Existem três técnicas básicas Pesquisa em tabela - Mapeamentos de endereço são armazenados em uma tabela em memória, consultada quando o computador precisa resolver um endereço. Computação forma fechada - O endereço de protocolo atribuído a um computador é cuidadosamente escolhido de forma que o endereço de hardware do computador possa ser computado a partir do endereço de protocolo usando operações básicas booleanas e aritméticas. Troca de Mensagem - Os computadores trocam mensagens através de uma rede para resolver um endereço. Um computador envia uma mensagem que solicita a tradução de um endereço, e outro envia uma resposta que contém as informações solicitadas.

29. Resolução de Endereços IP Exemplo de Resolução com Pesquisa de Tabela: Exemplo de Resolução com Computação Fechada: endereço_hardware = endereço_ip & 0xff

30. Resolução de Endereços IP Comparação entre esquemas de resolução de endereços: T - Tabela, C - Computação Fechada e D - Troca de Mensagem Dinâmica.

31. Resolução de Endereços IP Protocolo de Resolução de Endereços do TCP/IP O TCP/IP pode usar quaisquer dos três métodos de resolução de endereço. O método escolhido pode depender do tipo de rede usado, de acordo com o seu esquema de endereçamento físico. Para garantir que todos os computadores concordem no formato e significado exato de mensagens usadas para resolver endereços, o TCP/IP inclui um Protocolo de Resolução de Endereços (ARP - Address Resolution Protocol). O ARP define dois tipos de mensagens: uma requisição, que contém o endereço IP que deve ser resolvido, e uma resposta, que contém o endereço IP solicitado e o seu endereço de hardware correspondente.

32. Resolução de Endereços IP ARP: Funcionamento A mensagem de requisição deve ser difundida em broadcast para todos os computadores da rede. Cada computador recebe a requisição e examina o endereço IP. O computador que possuir o endereço IP responde à requisição, os demais a descartam.

33. Datagrama IP Uma inter-rede pode conectar redes heterogêneas, um quadro que trafega em uma rede não pode ser transmitido diretamente para outra pelo roteador. Para lidar com essas diferenças, o TCP/IP define um formato independente de pacote inter-rede, o datagrama IP. O protocolo da camada de rede do TCP/IP, o IP, usa serviço sem conexão para entrega fundamental de pacotes.

34. Datagrama IP Um datagrama IP consiste de um cabeçalho seguido por dados. O tamanho do datagrama é variável, mais especificamente, a área de dados. Na versão atual do IP (v4), um datagrama pode conter até mesmo um único octeto de dados ou no máximo 64 K octetos, incluindo o cabeçalho.

35. Datagrama IP O cabeçalho de um Datagrama IP Contém informações para o roteamento de datagramas. Endereço do destinatário e do remetente, tipo de dado, tipo de serviço, tamanho do datagrama, tempo de vida, checksum do cabeçalho e outros.

36. Roteamento IP Roteamento de Datagramas IP Datagramas percorrem uma inter-rede seguindo um caminho de sua origem inicial, através de roteadores, até seu destino final. Cada roteador recebe o datagrama, extrai o endereço de destino do cabeçalho e o usa para determinar o next-hop para qual o datagrama deve ser enviado. O next-hop pode ser o destino final ou outro roteador. Para selecionar o next-hop eficientemente, cada roteador IP mantém informações em uma tabela de roteamento.

37. Roteamento IP Tabelas de Roteamento A tabela de roteamento contém um conjunto de entradas que especificam um destino e o next-hop a ser usado para alcançar aquele destino. Exemplo de tabela de roteamento conceitual para o R2:

38. Roteamento IP Na prática, tabelas de roteamento contém: A entrada para o destino contém o prefixo da rede destino; Existe um campo adicional, chamado máscara de endereço, que especifica quais bits do destino correspondem ao prefixo de rede; O next-hop é representado por um endereço IP quando for um roteador.

39. Roteamento IP Exemplo de tabela de roteamento para o roteador central

40. Roteamento IP Máscara e Encaminhamento de Datagramas A máscara é usada para extrair a parte de rede de um endereço durante uma pesquisa na tabela de roteamento. Cálculo de roteamento: se((Mascara[i] & D) = = Destino[i]) encaminha para NextHop[i]; Exemplo para o endereço 192.4.10.3 na tabela de roteamento anterior: A primeira entrada falha: 255.0.0.0 & 192.4.10.3 != 30.0.0.0 A segunda e a terceira também falham. Pela quarta, o next-hop será 128.1.0.9, pois 255.255.255.0 & 192.4.10.3 == 192.4.10.0

41. Roteamento IP Roteamento de Datagramas IP (Cont.) O endereço de destino em um cabeçalho de datagrama se refere ao destino final e é usado para o cálculo do next-hop em um roteador. Quando um roteador encaminhar o datagrama para outro roteador, o endereço do next-hop não aparece no cabeçalho de datagrama. Para mandar o datagrama para o next-hop, usa-se o esquema de tradução de endereços para usar o endereço de hardware equivalente para transmissão.

42. Roteamento IP Entrega de Melhor Esforço Termo usado pelo IP para descrever o serviço que ele oferece. Para que ele realize o melhor esforço para a entrega de datagramas, ele não trata de problemas que podem ser causados pelas camadas subjacentes, tais como: Duplicação de datagramas, Entrega atrasada ou fora de ordem, Adulteração de dados e Perda de datagramas. Esses problemas devem ser tratados pelas camadas de protocolo superiores.

43. Encapsulamento, fragmentação e remontagem Transmissão de Datagramas Datagramas IP devem ser enviados por hosts e roteadores através de uma rede física. Hardware de rede não entende datagramas IP ou endereçamento inter-rede. Cada tecnologia define o seu formato de quadro e endereçamento. O hardware só aceita e entrega pacotes aderentes à sua especificação. Inter-redes podem conter tecnologias de rede heterogêneas, os formatos de quadro e endereçamento podem variar de uma rede para outra.

44. Encapsulamento Técnica de encapsulamento: Permite que datagramas IP possam ser transmitidos através de redes heterogêneas. Inserção de um datagrama inteiro dentro da área de dados de um quadro. Assim, o hardware de rede trata o quadro como se fosse um quadro qualquer. Um quadro pode ser identificado como portador de IP. As técnicas de resolução de endereços são necessárias.

45. Encapsulamento Exemplo de transmissão através de uma Inter-Rede

46. Fragmentação e remontagem Fragmentação Cada tecnologia de hardware especifica a quantidade máxima de dados que um quadro pode transportar. Esse limite é conhecido como MTU (maximum transmission unit). Um host de uma rede só pode encapsular datagramas de tamanhos menor ou igual ao MTU da rede em que ele está conectado. Quando um roteador recebe um datagrama que é maior do que o MTU da rede pelo qual deve ser enviado, o roteador divide o datagrama em fragmentos.

47. Fragmentação e remontagem Exemplo de Fragmentação Exemplo de roteador que conecta rede com MTUs diferentes:

48. Fragmentação e remontagem Funcionamento: Cada fragmento transporta alguns dados do datagrama original e tem um cabeçalho IP similar ao do original. As diferenças do cabeçalho original estão em algumas modificações nos campos FLAGS, para indicar de é um fragmento ou não, e FRAGMENT OFFSET, para informar a que lugar do datagrama original corresponde o fragmento.

49. Fragmentação e remontagem Remontagem Processo de recriar um datagrama que foi fragmentado. Como todos os fragmentos de um datagrama possuem uma cópia do cabeçalho original, todos possuem o endereço de destino. No protocolo IP, somente o host de destino final realiza a remontagem dos fragmentos. No exemplo a seguir, R1 fragmenta e H2 remonta:

50. Fragmentação e remontagem Remontagem (Cont.)‏ A remontagem no destino final tem duas vantagens: Reduz a quantidade de informações de estado em roteadores. Permite a mudança de rotas dinamicamente, pois se os fragmentos fossem remontados em um roteador, todos deveriam atingí-lo. Como o IP não garante a entrega, fragmentos individuais podem ser perdidos ou chegar fora de ordem. Para identificar a que datagrama um fragmento pertence, o remetente coloca um número de identificação único no campo IDENTIFICATION do datagrama de partida. Se um fragmento for perdido, todos os demais são descartados.