UNIVERSO. Curso: Análise de Sistemas DISCIPLINA: Internet e Recuperação da Informação Versão º período

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1 UNIVERSO UNIVERSIDADE SALGADO DE OLIVEIRA Curso: Análise de Sistemas DISCIPLINA: Internet e Recuperação da Informação Versão 1.1 2º período Prof. Marcos Vinícius Celeste Dalamura dalamura@gmail.com / Juiz de Fora-MG 2º Semestre / 2010

2 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO CONCEITOS BÁSICOS E TERMINOLOGIA CLASSIFICAÇÃO DE REDES SEGUNDO LOCALIZAÇÃO GEOGRÁFICA TOPOLOGIAS DE REDES PADRONIZAÇÃO DE REDES: O MODELO DE REFERÊNCIA OSI UMA BREVE HISTÓRIA DO UNIX UMA BREVE HISTÓRIA DA INTERNET REDES DE COMPUTADORES E A INTERNET INTRODUÇÃO PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO PERIFERIA DA REDE SERVIÇOS ORIENTADOS À CONEXÃO E SERVIÇOS NÃO ORIENTADOS À CONEXÃO NÚCLEO DA REDE COMUTAÇÃO DE CIRCUITOS COMUTAÇÃO DE PACOTES ROTEAMENTO NAS REDES DE DADOS REDES DE ACESSO REDES DE ACESSO RESIDENCIAL REDES DE ACESSO CORPORATIVA REDES DE ACESSO MÓVEL MEIOS FÍSICOS DE TRANSMISSÃO DE DADOS CABOS COAXIAIS CABOS DE PAR TRANÇADO CABOS DE FIBRA ÓPTICA ATRASOS E PERDAS EM REDES DE COMUTAÇÃO DE PACOTES...39

3 2.8. CAMADAS DE PROTOCOLOS A CAMADA DE APLICAÇÃO PROTOCOLO HTTP (HYPERTEXT TRANSFER PROTOCOL) FORMATO DE MENSAGENS HTTP WEB CACHÊS TRANSFERÊNCIA DE ARQUIVOS UTILIZANDO O FTP (FILE TRANSFER PROTOCOL) CORREIO ELETRÔNICO NA INTERNET PROTOCOLOS DE ACESSO AO MEIO SERVIÇO DE RESOLUÇÃO DE NOMES - DNS (DOMAIN NAME SYSTEM) CONSULTA AO DNS REGISTROS DNS...71 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

4 1. Introdução 1.1. Conceitos Básicos e Terminologia Ao decorrer do nosso estudo estaremos observando os aspectos envolvidos na comunicação entre computadores e nas tecnologias de rede utilizadas. Quando nos referirmos a comunicação entre computadores, estaremos falando da transmissão eletrônica de dados de um sistema a outro, descrevendo a maneira através da qual computadores trocam informações uns com os outros. Em relação às tecnologias de rede, estudaremos os meios empregados, em hardware e software, para conectar um grupo de sistemas com o propósito de compartilhar informações e serviços. O conceito de rede envolve muitos aspectos, dentre os quais podemos citar devido a sua importância: Protocolos e métodos de comunicação: que estabelecem regras que os computadores de uma rede devem seguir para que possam se comunicar com dispositivos da rede; Topologia e projeto: descrevem as formas como os sistemas são conectados; Endereçamento: é a forma que um componente da rede é capaz de localizar outro através da rede; Roteamento: é a maneira através da qual os dados são transferidos de um dispositivo até outro por meio da rede; Confiabilidade: as formas de garantir que os dados recebidos sejam exatamente os mesmos enviados; Interoperabilidade: é o grau em que produtos (hardware e software) de diferentes fabricantes são capazes de se comunicar através da rede; Segurança: são os mecanismos e procedimentos que visam proteger o funcionamento e a integridade dos dados dos componentes da rede; Padrões: estabelecem as regras e regulamentos que devem ser seguidos para garantir o perfeito funcionamento da rede

5 Tais aspectos são encontrados em diferentes níveis da rede, que é estruturada através de um modelo formado por blocos funcionais interligados, chamados de camadas, onde cada camada é responsável por uma determinada tarefa. A idéia é que cada camada ofereça serviços à camada superior, escondendo os detalhes de como estes serviços são implementados. Definimos redes de computadores como um conjunto de computadores autônomos 1 e outros dispositivos, interconectados, que utilizam um protocolo comum para, através de um meio de transmissão de dados, compartilhar dados e serviços. O objetivo central de uma rede de computadores é o compartilhamento de informações e recursos, e, além disso: O crescimento gradual da capacidade de processamento de informações; A diversidade de equipamentos e a liberdade de escolha; O aumento da confiabilidade (através de redundância); Outro meio de comunicação social; Ser aplicada a diversas atividades: ensino/pesquisa, produção e administração de serviços, interligação de bibliotecas, correio e boletim eletrônico, automação de manufatura, administração/automação de escritório, manipulação eletrônica de documentos, etc Classificação de Redes segundo a localização geográfica Existem diversos meios de transmissão: cabos de cobre, fibra óptica, microondas, radiodifusão, etc. Atualmente, os cabos de cobre (par trançado) e as fibras ópticas são os utilizados em maior escala. Suas características serão analisadas com mais detalhes ao estudarmos os meios físicos de transmissão de dados. 1 O termo autônomo exclui qualquer arranjo de processadores que apresentem relação mestre/escravo ou dispõem de um controle centralizado como os multiprocessadores, as máquinas ou array processors. Em uma rede, nenhum computador obedece a comandos de outro, possuindo inclusive autonomia para de desconectar da rede

6 Os meios de transmissão (meios físicos de transmissão) limitam tanto a taxa de transmissão de informação quanto à extensão geográfica da rede. Quanto a sua extensão geográfica, as redes podem ser classificadas em: Redes locais (LAN Local Area Network): interconectam computadores localizados numa mesma sala ou edifício (10m 1 km). Tipicamente, um único meio de transmissão é empregado. Redes de campos (CAN Campus Area Network): interconectam computadores localizados em um mesmo campo (fábrica, universidade, etc.) em extensões não superiores a 10 km. Tipicamente são compostas de várias LANs interligadas por uma rede de alto desempenho (backbone). Redes metropolitanas (MAN Metropolitan Area Network): interconectam computadores e LANs a nível regional (5 100 km), normalmente empregando de um a vários backbones interconectados. Redes de longa distância (WAN Wide Area Network): interconectam computadores e LANs a nível nacional ou continental ( km), normalmente operam por holdings de telecomunicações. Uma rede é dita homogênea se todos os computadores por ela interligados são idênticos. Caso contrário, temos uma rede heterogênea. Obviamente, redes heterogêneas demandam padronização tanto no nível de hardware (tensões, freqüências, etc.) quanto no nível de software (representação de dados, formato de mensagens, etc.) Topologias de redes Uma topologia representa um modelo físico que estabelece o modelo e os critérios utilizados para a interconexão dos dispositivos da rede. O fator fundamental para o estabelecimento de uma topologia é o meio de transmissão adequado, como veremos a seguir. Segundo a forma como os dados são transmitidos entre as estações, redes podem ser classificadas como de difusão (broadcasting) quando as estações compartilham de um canal de transmissão único, assim, quando uma mensagem é - 5 -

7 enviada por uma estação é recebida por todas as demais, que verificam se são o destino pretendido. Caso a mensagem não seja para ela, então é simplesmente descartada. A topologia que representa este modelo de forma mais clara é a de barramento. Na topologia de barramento, um único e longo meio de transmissão (normalmente chamado de backbone ou tronco) é compartilhado por vários dispositivos, sem a necessidade de distribuidores, mas na prática pode ser necessária a utilização de repetidores para aumentar a capacidade de alcance da rede. Um exemplo de barramento pode ser visto na figura 1.1. Figura 1.1. Topologia de barramento baseada em difusão. No modelo de topologia em anel, todos os dispositivos são conectados na forma de um ciclo. Esta tecnologia foi criada pela IBM para redes Token Ring, e caracteriza-se por cada dispositivo da rede utilizar um conector especial para que em caso de falha não interrompa a transmissão de dados. O meio de comunicação utilizado é unidirecional, ou seja, os dados trafegam somente em um sentido, horário ou anti-horário. Toda transmissão de dados é baseada no repasse de mensagens. Cada dispositivo possui um repetidor de sinal, que decodifica o pacote de dados, verifica se ele é o destinatário; se não for, o repassa adiante, até que este chegue ao seu destino. Dois exemplos distintos de topologia em anel são demonstrados na figura

8 Figura 1.2. Dois exemplos de topologia de anel. Na esquerda está representada uma topologia lógica de anel sobre uma topologia física de estrela (que será vista a seguir), enquanto na direita está representada uma topologia lógica de anel sobre um anel físico. Outra tecnologia de difusão muito utilizada em diversos meios de telecomunicações é a via satélite, mostrada na figura 1.3. Os dados são distribuídos para todos as estações, que precisam sintonizar uma freqüência adequada para receberem a transmissão. Figura 1.3. Em uma rede via satélite as estações utilizam antenas para enviar e receber dados. Em redes ponto-a-ponto, as transmissões são realizadas entre pares individuais de estações, origem e destino, sendo que este caminho pode ser estabelecido através de estações intermediárias, como no exemplo apresentado na figura 1.4. Em geral é possível ter diferentes possibilidades de caminhos entre duas estações, por isso é necessário escolher a rota de transmissão mais adequada. Esta escolha é determinada através de um algoritmo de roteamento. Figura 1.4. Exemplo de uma rede ponto-a-ponto simples. Cada estação só pode se comunicar com a estação adjacente. Se as estações A e C quiserem se comunicar, terão que utilizar B, que é adjacente a ambas

9 Em uma topologia em estrela (também chamada de topologia em asterisco), pela disposição dos dispositivos, com um concentrador (como um hub ou switch) no centro e estações da rede conectadas neste. A transmissão entre duas estações é feita através deste concentrador, sendo que os dados transmitidos não são enviados para as demais estações da rede. A figura 1.5 mostra uma configuração simples de uma rede em estrela. Figura 1.5. Exemplo de uma rede em estrela. Ela contém um ponto central onde todas as estações estão conectadas (a), que em caso de falha impede a comunicação de todos os dispositivos da rede. Os equipamentos mais comuns de serem utilizados como concentradores são hubs (b), chaves ou switches. Apesar da classificação da topologia física, uma rede em estrela pode representar uma topologia lógica de difusão, basta o distribuidor retransmitir os dados a todos os dispositivos que nele estão conectados. Na prática, a topologia em estrela é a que normalmente utiliza a maior quantidade de cabeamento, sendo necessárias duas via de comunicação entre cada par de dispositivos, uma vez que ambos são conectados a um concentrador. Temos ainda mais dois modelos de redes ponto-a-ponto: redes em laço e em árvore. As redes em laço são uma subclassificação de redes estrela por serem uma versão modificada desta. Caracteriza-se por não haver um ponto concentrador, os dispositivos são conectados diretamente através de cabeamento dedicado. São redes altamente seguras, do ponto de vista da disponibilidade, uma vez que a falha em um segmento não altera o funcionamento do restante. Obviamente são redes caras, já que cada dispositivo é conectado com outro, normalmente só é usada em ambientes específicos. Redes em laço podem ser formadas por laços completos ou parciais, como pode ser visto na figura

10 Figura 1.6. Topologia em laço, parcial (esquerda) e completo (direita). Se cada estação se liga a todas as demais, temos um laço completo. Uma topologia em árvore é estabelecida segundo uma configuração hierárquica, como visto na figura 1.7, sendo formada por um dispositivo raiz, onde são conectados dispositivos de segundo nível, que por sua vez são conectados com dispositivos de terceiro nível, e assim por diante. Os dispositivos de um nível n+1 podem ser estações finais (folhas da árvore) ou novos dispositivos que assumem papéis de repetidores (como hubs, switches ou mesmos estações com múltiplas interfaces de rede. Topologias em árvore normalmente são empregadas para refletir fisicamente uma organização lógica, e em muitos casos, segmentando o tráfego para aumentar a eficiência do tráfego de dados através da rede. Figura 1.7. Em uma topologia em árvore, as estações são interconectadas hierarquicamente Padronização de redes: o modelo de referência OSI Um padrão é um conjunto de normas e procedimentos obrigatórios ou recomendáveis. Padrões visam homogeneizar produtos e serviços em um nível aceitável de qualidade e segurança, minimizar custos, compartilhar equipamentos, etc

11 O modelo de padronização proposto pela ISO (International Standard Organization) estipula uma rede estruturada em sete camadas, propondo um ou mais padrões para controlar o funcionamento de cada camada. Este modelo é chamado Interconexão de Sistemas Abertos (OSI Open Systems Interconnection) conhecido como ISO/OSI. O Modelo OSI, apesar de padronizado formalmente, não é muito difundido, ao contrário do padrão Internet, criado pelo DoD/USA (Departamento de Defesa dos EUA) no final da década de 70. Porém, o padrão OSI deve crescer, visto que apresenta um maior número de serviços, em comparação com os da Internet (ao nível do usuário), que são: transferência de arquivos e correio eletrônico. O modelo OSI é composto por 7 camadas e não configura uma arquitetura, pois não especifica os protocolos empregados pelas camadas. Entretanto, a ISO tem produzido protocolos para as camadas, publicando-os como padrões internacionais. As camadas são: física, enlace de dados, rede, transporte, sessão, apresentação e aplicação. As camadas são estruturadas segundo os seguintes princípios: Uma camada deve ser criada onde houver necessidade de outro grau de abstração; Cada camada deve executar uma função bem definida; A função de cada camada deve ser escolhida tendo em vista a definição dos protocolos padronizados internacionalmente; Os limites de camada devem ser escolhidos para reduzir o fluxo de informações transportadas entre as interfaces; O número de camadas deve ser suficientemente grande para que funções distintas não precisem ser desnecessariamente colocadas na mesma camada e suficientemente pequeno para que a arquitetura não se torne difícil de controlar. Como pode ser observado na figura 1.8, cada camada se comunica diretamente somente com as camadas superior e inferior em relação a si, mas as camadas correspondentes entre as estações A e B se comunicam através de uma ligação estabelecida por um protocolo. Do ponto de vista lógico, a camada N de um dispositivo troca informações com a camada N nos outros dispositivos. As regras envolvidas na conversação

12 formam protocolo da camada N. A especificação de protocolos não trata de detalhes de como são implementados, estes detalhes dependem da tecnologia empregada. Entre cada par de camadas adjacentes existe uma interface que define claramente as regras de utilização nos serviços oferecidos pela camada inferior. O conjunto de camadas e protocolos definem a arquitetura da rede. Figura 1.8. Modelo de referência OSI. No estudo de redes de computadores, duas abordagens podem ser adotadas: o estudo das funções e serviços oferecidos pelas camadas de baixo para cima da camada física até a camada de aplicação ou partindo das camadas superiores até chegarmos à camada física, onde os dados são transmitidos em sua forma mais básica: bits. Neste curso será empregada a segunda abordagem, por dois motivos fundamentais: primeiramente, devido ao crescimento da Internet no mundo inteiro, que é o primeiro ambiente que se vem à mente quando pensamos em redes, e graças a ela, o campo de desenvolvimento de ferramentas para a camada de aplicação tem sido o de maior crescimento na área de redes. Em segundo lugar, o estudo de como funcionam aplicações de rede utilizadas por todos no dia-a-dia, como e a WWW (World Wide Web), é altamente motivacional para os alunos, para em seguida investigar como as camadas de nível mais baixo provêem os recursos utilizados por tais aplicações

13 1.5. Uma breve história do Unix O Unix começou a ser criado em 1969, em um projeto de pesquisa da AT&T Bell Labs, e sua primeira versão foi disponibilizada a universidades dos EUA em 1976, de forma gratuita, o que contribuiu fortemente para que servisse como base de vários sistemas operacionais e projetos de pesquisa acadêmicos. Antes disso, em 1972, com o surgimento da linguagem C, o Unix foi reescrito, a fim de se tornar um sistema portável, isto é, que pudesse ser utilizado em sistemas com diferentes hardwares, sem que fossem necessárias mudanças em seu códigofonte, ou que ao menos, fossem mínimas. Outro importante marco foi em 1979, quando surgiram versões comerciais do Unix para servidores, com algumas modificações a pedido dos clientes, como o Sun OS (posteriormente chamado de Solaris), HP/UX (da HP), o AIX (da IBM) e até o Xenix (para, acreditem, a Microsoft!). Isto ajudou a popularização do sistema Unix, apesar de não haver um único sistema que recebesse esta nomenclatura, já que todos haviam passado por alterações e adaptações em relação a versão original. Nos últimos anos, o Unix veio a ser apresentado a um grande número de usuários de computadores através do Linux, que é uma reimplementação do kernel do Unix. Sua primeira versão surgiu em 1991, como um projeto de Linus Torvalds, um estudante de pós-graduação finlandês. O que deveria ter sido apenas um projeto de pesquisa de Linus, em poucos anos acumulou muitos desenvolvedores, usuários e entusiastas, que apoiavam a idéia de um sistema operacional completo, gratuito e de código-fonte aberto, isto é, que estivesse disponível para qualquer pessoa que quisesse estudá-lo e modificá-lo, criando sua própria versão. Em poucos anos, o Linux cresceu e tornou-se um kernel completo com qualidade de produção e pleno de recursos, que muitos usuários e empresas utilizam como seu sistema operacional principal. Cada vez mais investindo no desenvolvimento de interfaces user friendly (amigáveis aos usuários) e com aplicativos diversos, tornando-o uma opção cada vez mais atraente para o público em geral

14 1.6. Uma breve história da Internet Como muitos outros avanços tecnológicos da humanidade, a origem da Internet está em pesquisas motivadas pelas guerras. No período conhecido como Guerra Fria, entre os Estados Unidos e a antiga União Soviética, os militares americanos temiam que um ataque soviético pudesse ser realizado tendo como alvo uma central de informações, o que comprometeria todas as bases de dados americanas. Desta forma, iniciaram um projeto para descentralizar suas bases de dados, e que as informações estivessem compartilhadas entre elas, pois no caso da destruição de uma dessas bases (como o Pentágono, centro de inteligência norteamericana), os dados continuariam existindo e disponíveis. Em 1969 surgiu a primeira transmissão de dados através desta rede, a ARPANET (sigla de Advanced Research Projects Agency Net), que transmitia os dados através do chaveamento de pacotes, ondes as informações são transmitidas em pequenos pacotes, contendo os dados, informações de como chegar ao destinatário e como remontar um mesmo dado contido em vários pacotes. Com a diminuição da tensão entre EUA e URSS na década de 70, decidiu-se dividir a ARPANET em duas, a fim de facilitar seu gerenciamento. Um dos grupos foi batizado de MILNET, e continuava sob controle exclusivo dos militares, e o outro, que inicialmente continuou a se chamar de ARPANET, que conteria todas as localidades não-militares. A nova ARPANET começou a ser utilizada por pesquisadores e alunos de universidades, como uma ferramenta de troca de informações sobre pesquisas científicas e uma forma de colaboração à distância, mais rápida e barata do que os correios. Crescendo neste ambiente de estudiosos de tecnologia, em pouco tempo surgiram muitas novas aplicações, dentre as quais foram o protocolo HTTP (Hypertext Tranfer Protocol) e o próprio protocolo IP (Internet Protocol) os principais responsáveis por expandir seus horizontes para fora das Universidades, e passar a ser utilizada como ferramenta de comunicação por empresas e usuários domésticos

15 Finalmente, Em 1991, a empresa Netscape, criadora do navegador web de mesmo nome, desenvolveu o protocolo HTTPS, uma versão segura do HTTP, que permitiu a consolidação e crescimento do comércio eletrônico

16 2. Redes de Computadores e a Internet 2.1. Introdução Durante nosso curso, estudaremos os princípios de funcionamento e disponibilização de serviços através da análise sobre os modelos já existentes, empregados em uma rede de escala mundial, conhecida como Internet. Uma definição mais formal sobre o que é a Internet pode ser resumida como uma rede de computadores, de abrangência mundial e pública, através da qual estão conectados milhões de equipamentos de computação localizados em todas as partes do mundo. A maior parte dos equipamentos de computação conectados a Internet são computadores pessoais e servidores, utilizando sistemas operacionais Windows ou Unix/Linux, que provêem serviços como envio e recebimento de mensagens por e- mail, acesso a informações disponibilizadas como páginas web e compartilhamento de arquivos (muitas vezes infringindo leis de direitos autorais). Estes seriam os principais elementos de uma rede de computação local, mas quando falamos da Internet, não seria correto limitá-la com abordagens tão tradicionais, uma vez que já podemos contar com uma torradeira que fornece a previsão do tempo, ou um portaretratos que muda a foto que está exibindo de tempos em tempo conectando-se a um servidor na Internet e buscando novas imagens, que podem ser disponibilizadas de qualquer parte do mundo, a qualquer momento, mostrados na figura 2.1, ou ainda, um servidor web do tamanho de uma cabeça de fósforo. Todos estes equipamentos, desenvolvidos por mentes criativas e brilhantes também são chamados de hospedeiros (hosts) ou sistemas finais, que executam programas de aplicação de rede. Figura 2.1. Exemplos de hosts não-convencionais conectados na Internet

17 Os sistemas finais de uma rede operam protocolos, que fazem o envio e recebimento de informações através da Internet. Os protocolos mais utilizados na Internet são o TCP (transmission control protocol protocolo de controle de transmissão) e o IP (Internet protocol protocolo da Internet), que são referenciados como TCP/IP. Estes sistemas finais são conectados entre si através de enlaces de comunicação, que podem ser constituídos por diversos meios físicos, como cabos coaxiais, par trançado, fibras óticas e ondas de rádio. O enlace adotado terá diferentes características na velocidade em que os dados serão transmitidos (medidos em bps bits por segundo), chamada de largura de banda. Como a Internet e muitas outras redes são formadas por um grande número de sistemas finais, divididos em sub-redes que empregam diferentes topologias, os enlaces de comunicação são interconectados por diversos equipamentos intermediários de comutação, chamados de roteadores, cuja função é encaminhar dados que estão sendo transmitidos de um hospedeiro pertencente a um enlace para outro localizado em outro enlace, estabelecendo um caminho (ou rota) através da rede. A Internet utiliza um princípio chamado comutação de pacotes, que permite que um único canal de transmissão seja utilizado simultaneamente por diversos hospedeiros. A Internet é uma rede formada por redes, estruturadas segundo uma topologia que reflete certos aspectos hierárquicos, interconectando hospedeiros através de provedores de serviços de Internet (ISP Internet Service Providers), utilizando redes de acesso, que podem ser encontradas de diferentes formas. Os ISP locais conectam-se aos ISP regionais (ou diretamente aos nacionais), que por sua vez estão ligados aos nacionais e internacionais. A estrutura da Internet cresce a cada dia de forma exponencial, incorporando novos recursos e aumentando a base de usuários, que demandam pelos mais variados serviços. A figura 2.2 demonstra alguns dos vários tipos de rede que estão conectadas à Internet

18 Figura 2.2. Redes heterogêneas que formam a Internet Protocolos de comunicação Um protocolo define o formato e a ordem das mensagens trocadas entre duas ou mais entidades comunicantes, bem como as ações realizadas na transmissão e/ou no recebimento de uma mensagem ou outro evento entre dois dispositivos ligados na rede. A figura 2.3 ilustra o funcionamento de um protocolo para troca de mensagens utilizado por pessoas e o realizado por computadores. Figura 2.3. Analogia entre o protocolo de comunicação humano e o de computadores

19 Um protocolo estabelece conjunto específico de mensagens que podem ser enviadas e as ações específicas que serão realizadas como reação a mensagens recebidas ou outras situações, como, por exemplo, o não recebimento de uma resposta. Se duas pessoas não falam o mesmo idioma, não é estabelecida a comunicação. Da mesma forma, é preciso que dois ou mais computadores utilizem um mesmo protocolo para que possam trocar mensagens Periferia da Rede São conhecidos como periferia ou bordas da rede todos os computadores que chamamos de hospedeiros (hosts) ou sistemas finais. Quando estamos acessando a Internet através de um programa navegador web, nosso computador está hospedando um programa de aplicação. Sistemas finais são divididos em duas categorias: clientes e servidores, que estabelecem um modelo de comunicação em redes de computadores chamado de modelo cliente-servidor. A figura 2.4 ilustra a conexão realizada entre dois hosts, um cliente e um servidor, através de uma rede. Para o usuário, é como seu computador (cliente) estivesse recebendo dados de um outro (servidor) diretamente, sem passar por elementos intermediários da rede. É interessante destacar que os papéis de cliente e servidor não são fixos, um hospedeiro que em um momento está fazendo a requisição de dados de um outro hospedeiro (fazendo o papel de um cliente) pode estar também enviando dados a outro hospedeiro em resposta a uma requisição (fazendo o papel de servidor). Figura 2.4. Conexão entre dois sistemas finais: o modelo cliente-servidor

20 Serviços orientados à conexão e serviços não orientados à conexão De acordo com o modelo para transmissão de dados entre dois hosts na Internet (que é utilizado em qualquer rede TCP/IP), é estabelecido um canal de comunicação para todo o tráfego de dados que for solicitado através de uma aplicação. Existem dois modelos que são utilizados pelos serviços de comunicação: os orientados à conexão e os não orientados à conexão. Ao desenvolver um aplicativo para rede, como um cliente de , um navegador web, um programa de bate-papo, etc., o analista de sistemas deve escolher um destes dois modelos de transferência para ser utilizado em seu programa. Nos aplicativos que utilizam um serviço orientado a conexão, o cliente e o servidor enviam pacotes de controle um para o outro antes de remeter pacotes com os dados que desejam transmitir. Este procedimento faz com que cliente e servidor estejam preparados para a emissão e a recepção de uma rajada (é comum encontrar na literatura o termo burst ) de pacotes. É o mesmo princípio empregado no sistema telefônico discado, onde o usuário tira o telefone do gancho, disca um número, fala, escuta, e quando termina a comunicação, desliga. Em uma transmissão de rede, apenas o receptor e o transmissor estão cientes desta conexão estabelecida; os segmentos intermediários da rede por onde os pacotes trafegam (roteadores, servidores, etc.) não sabem desta conexão. O serviço orientado a conexão é empregado em aplicações que necessitam de serviços como transferência de dados confiável, controle de fluxo e controle de congestionamento. Através da transferência de dados confiável, uma aplicação tem a confiabilidade de que todos os dados que forem transmitidos serão entregues sem nenhum erro e na ordem certa. O TCP implementa esta confiabilidade através de confirmações e retransmissões. Em uma conexão entre dois computadores A e B, sempre que B receber um pacote de A, ele enviará uma confirmação de recebimento. Quando A receber esta confirmação, terá certeza que o pacote foi enviado corretamente. Caso não receba esta confirmação, ele supõe que o pacote se perdeu no meio do caminho (o que pode não ser verdade; a confirmação pode se perder) e retransmite o pacote

21 O controle de fluxo é responsável por que nenhum dos dois sistemas finais envolvidos em uma transmissão sobrecarregue o outro enviando um fluxo de pacotes muito rapidamente, provocando um afogamento. Em um ambiente como a Internet é muito comum que um dos lados da conexão não tenha a capacidade de processar as informações com a mesma velocidade com a qual as recebe, incorrendo em uma sobrecarga. Ao estudarmos a camada de transporte veremos como um serviço de controle de fluxo é implementado utilizando buffers de envio e recebimento. Controle de congestionamento implementa uma forma da redução da taxa de dados transmitidos quando a rede fica congestionada. Quando um roteador fica muito congestionado, pode ocorrer o transbordamento de seus buffers, o que ocasionará na perda de pacotes. Desta forma, poucos pacotes chegarão ao host de destino, causando muitas retransmissões. Isto é evitado forçando os hosts a diminuir a velocidade com a qual enviam pacotes para a rede nos períodos de maior congestionamento. O serviço orientado à conexão empregado na Internet é o TCP (Transmission Control Protocol), e fornece o transporte de dados confiável, controle de fluxo e de congestionamento. Vale observar que a aplicação citada anteriormente que utiliza os recursos de um serviço orientado à conexão não deve se preocupar como estes são implementados no TCP, apenas precisa saber que conta com estes recursos. Grande parte das aplicações para a Internet emprega conexões TCP, como os serviços de HTTP (WWW), FTP (transferência de arquivos), SMTP ( ), entre muitos outros. Em serviços não orientados à conexão não existe a apresentação entre cliente e servidor empregada em transmissões confiáveis. Quando um host deseja enviar pacotes a outro, simplesmente os envia, sem esperar por nenhuma confirmação. Desta forma, os dados podem ser entregues mais rapidamente, mas não existe um meio do transmissor saber se os dados foram entregues corretamente, não existindo assim, retransmissões, e ainda, controles de fluxo e congestionamento. O serviço não orientado à conexão utilizado na Internet é o UDP (User Datagram Protocol). O UDP é utilizado em aplicações como transmissão de vídeo em tempo real, áudio sob demanda e telefonia via IP, dentre outras

22 2.4. Núcleo da Rede Definimos como periferia da rede todos os sistemas finais que estabelecem os pontos de início e término de uma transmissão de dados, de uma ponta a outra. Apesar desta transmissão ser feita entre dois pontos, todos os pacotes trafegam por uma complexa malha formada por equipamentos comutadores intermediários, chamados de roteadores, por estabelecerem uma rota através da qual os pacotes serão encaminhados do transmissor até o receptor. A figura 2.5 destaca o núcleo da rede, formado por um conjunto de roteadores interconectados por diversos meios de transmissão, desde linhas cabeadas até links de transmissão sem fio. Figura 2.5. Malha de roteadores que define o núcleo da rede. Por mais simples que possa parecer (mas que na prática não é tão simples quanto gostaríamos), dois métodos podem ser utilizados para o estabelecimento de um canal de transmissão: a comutação de circuitos, onde os recursos necessários para a comunicação entre os hosts ficam reservados por todo o período de duração da sessão, e a comutação de pacotes, onde estes mesmos recursos não ficam reservados; neste caso, pode ser necessário aguardar para conseguir acesso ao meio de transmissão. Veremos a seguir o funcionamento detalhado destas duas abordagens

23 Comutação de circuitos O modelo mais conhecido onde é empregada a comutação de circuitos é o da telefonia fixa. Ao discarmos para um número de voz ou fax, estabelecemos uma conexão entre dois pontos finais da rede de telefonia, passando por várias centrais comutadoras. Este canal fica reservado (dedicado) a conexão até que um dos pontos emissor ou receptor termine-a, mesmo que não seja utilizado (tanto quem ligou quanto quem atendeu podem ficar mudos). O estabelecimento desta conexão, que a telefonia chama de circuito, possui uma característica que é muito interessante e desejável para alguns serviços, que é a reserva de uma taxa de transmissão constante nos canais de comunicação, enquanto a conexão for mantida, garantindo uma qualidade de serviço. A figura 2.6 mostra o estabelecimento de canais de comunicação em uma rede através da comutação de circuitos, mas veremos que estes canais serão compartilhados para que não sejam desperdiçados, sendo deixados ociosos. Figura 2.6. Transmissão através da comutação de circuitos. Em redes de computadores, é empregado um método chamado de multiplexação, que é a utilização de um canal de transmissão de dados por vários hosts simultaneamente, através da divisão de seu enlace de transmissão entre eles. Existem basicamente duas técnicas de divisão do canal: a multiplexação por

24 divisão de freqüência (FDM- Frequency-division Multiplexing) e a multiplexação por divisão de tempo (TDM Time-division Multiplexing). Utilizando o FDM, o espectro de freqüência de um enlace é compartilhado entre todas as conexões estabelecidas pelo enlace, reservando uma banda de sua freqüência para cada conexão, durante o período da ligação. Para um conjunto de n circuitos estabelecidos, cada um destes fica com 1/n da largura de banda total do enlace. Este é o esquema de transmissão utilizado por estações de rádio, que compartilham o espectro da freqüência, ilustrado na figura 2.7. Figura 2.7. Divisão do enlace de transmissão através de FDM. Outra técnica utilizada para a divisão do enlace de transmissão e que vem substituindo os circuitos de telefonia FDM é a de TDM. No modelo implementado através do TDM, o tempo é dividido em quadros de duração fixa, e cada um dos quadros é dividido em um número fixo de slots de tempo. Ao ser estabelecida uma conexão entre dois sistemas finais da rede através do enlace utilizado, será dedicado um slot de tempo em cada quadro da conexão. Cada slot é reservado para o uso exclusivo de uma conexão, existindo um slot específico para cada par transmissor/receptor. A figura 2.8 ilustra o modelo TDM para 4 usuários dividindo os quadros de transmissão. Figura 2.8. Divisão do enlace de transmissão através de TDM

25 Ambos os modelos que empregam a comutação de circuitos estão sujeitos ao mau aproveitamento do enlace de transmissão, devido a momentos que ocorrem períodos de silêncio, quando não há transmissão de dados a ser realizada, mas a conexão estabelecida é mantida, fazendo com que os circuitos reservados ficam ociosos, não podendo ser aproveitados por outras conexões em andamento. Há ainda a complexidade envolvida no processo de estabelecimento de um circuito ponto-a-ponto com larguras de faixas reservadas Comutação de pacotes Nos modelos de redes de transmissão de comutação por pacotes, cada mensagem longa a ser transmitida é fragmentada em pacotes menores pelo sistema final de origem dos dados. Estes pacotes percorrerão um caminho até o destino pretendido através de enlaces de comunicação e comutadores de pacotes, conhecidos como roteadores. Os pacotes são transmitidos por cada enlace de transmissão a uma taxa igual à taxa total do canal, ou seja, utilizando toda a banda disponível. A maior parte dos comutadores de pacote trabalha segundo uma técnica de store and forward (armazena e reenvia), que consiste em, ao iniciar o recebimento de um pacote por um enlace de entrada, o comutador deve aguardar até o recebimento completo do pacote para iniciar sua transmissão através do enlace de saída. Devido a esta técnica de transmissão, ocorre um atraso de armazenagem e reenvio em cada enlace ao longo da rota seguida por cada pacote, que se refletirá no tempo total necessário pelo processo de transmissão. A figura 2.9 exemplifica uma rede de transmissão por comutação de pacotes

26 Figura 2.9. Rede de comutação de pacotes. Cada roteador da rede possui vários buffers, que são utilizados pelos enlaces que interconecta como um buffer de entrada e um buffer de saída. Caso um pacote que está chegando precise ser transmitido por um enlace, mas este está ocupado transmitindo outro pacote, ele deve aguardar na fila de saída. Na comutação por pacotes, além dos atrasos de armazenagem e reenvio, os pacotes sofrem atrasos de fila no buffer de saída, que variam dependendo do grau de congestionamento da rede. Assim como qualquer outro recurso computacional, buffers possuem uma capacidade finita. Se um pacote chegar a uma fila e encontrar todas as suas posições ocupadas por outros pacotes aguardando para serem transmitidos, não há outra ação a ser tomada além do descarte, ou perda de pacotes, o que chega ou um dos que já estão na fila. Como visto na figura 2.9, não há uma ordem específica de transmissão para os pacotes enviados pelos hosts A e B, contrastando com a ordenação presente no modelo TDM. Esta ordem é dita aleatória ou estática, pois os pacotes são enviados sempre que presentes no enlace. Desta forma, dizemos que a comutação por pacotes emprega um método de multiplexação estática de transmissão. Ao compararmos comutação de circuitos com a comutação de pacotes, vemos que este último método permite que uma maior quantidade de usuários compartilhem o canal de transmissão. Imagine um enlace com velocidade de 1 Mbps; suponha que cada usuário ocupe 100 Kbits/s quando deseja transmitir. Em

27 um ambiente de comutação de circuitos, teremos no máximo 10 usuários a qualquer instante, independente se estão transmitindo ou não, apenas pelo estabelecimento do circuito, que pode permanecer ocioso. Com a comutação de pacotes, se houverem 35 usuários, a probabilidade de mais do que dez destes estarem ativos simultaneamente é ínfima, o que permite uma maior quantidade de usuários simultâneos utilizando o meio com o mesmo desempenho da comutação de circuitos. Depois da análise dos mecanismos de funcionamento das duas formas de comutação, a que conclusão pode-se chegar? Apesar de ambas ainda serem muito utilizadas em redes de telecomunicações, a tendência aponta para a adoção cada vez maior de redes de comutação de pacotes. Desta forma, pode-se afirmar que sempre será melhor empregar a comutação de pacotes? Apesar de suas vantagens serem bastante aparentes, devemos lembrar dos casos de tráfego excessivo, que leva ao atraso e perdas de pacotes. Para contornar estes problemas, é necessário o uso de protocolos que tenham mecanismos de controle de congestionamento e transferência confiável, e garantir uma certa qualidade na taxa de transmissão de aplicações de áudio e vídeo. Existem ainda as redes de comutação de mensagens. Basicamente, funciona como uma rede de transmissão de pacotes, mas ao invés de cada mensagem a ser transmitida ser quebrada em vários pacotes, para ser remontada ao chegar no host de destino, o que obviamente atribui uma carga adicional de trabalho computacional tanto na origem quanto ao destino, na comutação de mensagens, estas são enviadas inteiras pela rede. Como os comutadores são do tipo armazena-e-envia, eles precisam receber até o último bit de uma mensagem antes de começarem a repassá-la ao próximo comutador ou a o host de destino. O atraso na transmissão na rede é óbvio, já que apenas um dos comutadores presentes no caminho entre origem e destino transmite por vez, enquanto todos os demais permanecem ociosos. Na comutação por pacotes, todos os comutadores podem estar transmitindo ao mesmo tempo. Outra vantagem da comutação de pacotes é que podem ocorrer erros nos bits nos pacotes durante a transmissão. Se estivermos operando com pacotes, apenas o pacote defeituoso será

28 descartado (apenas uma parte da mensagem terá que ser retransmitida), enquanto na comutação de mensagens, toda a mensagem será descartada e retransmitida Roteamento nas redes de dados Como acabamos de discutir, a comutação de pacotes vem sendo empregada em grande escala como modelo para a transmissão de dados. A partir deste modelo, são implementadas duas classes: as redes datagrama e as redes de circuitos virtuais. Elas diferem entre si pela forma que é feito o roteamento, que podem ser feitos de acordo com diferentes algoritmos que estudaremos mais a frente. Em uma rede de circuito virtual, é estabelecido um caminho, formado por diversos enlaces interconectados por comutadores de pacotes, entre os hosts de origem e destino, e cada circuito virtual e enlace possuem um número identificador (Virtual Circuit ID). Cada pacote transmitido levará este número, e ao passar por um comutador, receberá o número do comutador seguinte para o qual deverá ser encaminhado. O caminho a ser percorrido pelos pacotes é fixo e escolhido no instante do estabelecimento da conexão, permanecendo o mesmo por toda a duração desta. Como o caminho é pré-estabelecido, é necessário que redes de circuito virtual mantenham informações de estado entre seus comutadores durante todo o tempo, o que não será necessário em redes datagrama. Redes datagrama funcionam de maneira análoga aos serviços de agência postais: um remetente envia uma mensagem colocando-a em um pacote que possui o endereço do destinatário, sendo que este endereço está inserido em um modelo hierárquico, por exemplo: país estado cidade logradouro número. A mensagem passa por toda esta estrutura, se necessário, até alcançar o destinatário. Em redes datagrama, cada pacote enviado possui no seu cabeçalho o endereço de destino. Ao ser transmitido a um comutador, este examina uma parte do endereço e o retransmite a um comutador adjacente. Cada comutador de pacotes possui uma tabela de roteamento, que é utilizada para descobrir qual dos enlaces de saída que está ligado é o mais adequado para encaminhar o pacote. Dependendo das

29 informações contidas nas tabelas de roteamento, a rota entre dois sistemas finais da rede pode mudar durante uma sessão Redes de acesso Até agora vimos às formas através dos quais os dados podem ser transmitidos de um sistema final da rede até o outro, passando por enlaces de transmissão, interconectados através de comutadores de circuitos ou pacotes, formando uma grande malha de transmissão. Mas através de quais meios receptor e transmissor estão ligados a este grande circuito de transmissão de dados? As chamadas redes de acesso, utilizadas como meio de ligação dos sistemas finais a esta malha de transmissão de uma rede podem ser classificadas em três grandes categorias, que não são absolutas, mas que se aplicam à maioria das situações, são elas: Redes de acesso residenciais; Redes de acesso institucionais (bancos, escolas, empresas, etc.); Redes de acesso móvel Redes de acesso residencial Uma rede de acesso residencial é a que liga um sistema final localizado em uma residência. O dispositivo final mais comum deste tipo de rede é um computador pessoal (independente da arquitetura ou sistema operacional utilizado), mas pode ser qualquer outro dispositivo, como uma Web TV ou até mesmo uma torradeira (lembram-se?), que esteja conectado a um roteador de borda. A forma mais comum de estabelecer esta conexão é através de um modem ligado a uma linha discada, que passa através da rede de telefonia pública até chegar a um ISP. A função do modem é a conversão dos sinais digitais de saída de um computador em sinais analógicos, para que sejam transmitidos através de uma linha de transmissão analógica (a linha telefônica). O modem do ISP reconverte este sinal para digital, para que possa ser transmitido através de seu roteador. Este modelo entre sistema final e roteador de borda caracteriza um modelo de ponto-a-ponto

30 simples. O enlace é composto pelo par de fios trançados de uma linha telefônica de velocidade máxima de 56 Kpbs, mas que muitas vezes não alcança esta taxa devido a baixa qualidade destas vias. Para uma maior velocidade de transmissão, pode ser utilizada a tecnologia ISDN (Integrated Services Digital Network), que permite a transmissão totalmente digital de um sistema final através da rede telefônica a velocidades superiores a 128 Kbps. Outra tecnologia disponível é a ADSL, que também funciona com as linhas telefônicas já existentes, mas que permite a obtenção de taxas de transmissão de até 8 Mbps do roteador de borda do ISP ao sistema final (downlink) e de 1 Mbps no sentido inverso (uplink). Esta assimetria é baseada no fato que normalmente o usuário doméstico atue mais como um consumidor de informações do que como um produtor. O ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), ou linha digital assimétrica para assinantes, funciona com a multiplexação por divisão de freqüência, dividindo o enlace entre o sistema final doméstico e o ISDN em três faixas: um canal de alta velocidade (na faixa de 50 khz a 1 MHz) na direção do usuário, um canal de média velocidade (na faixa de 4 a 50 khz) na direção da rede e um canal telefônico de duas vias, que vai de 0 a 4 khz. Desta forma, torna-se possível a utilização da linha telefônica simultaneamente a transmissão de dados. Esta velocidade de transmissão depende de alguns fatores físicos do meio, como a bitola da linha de transmissão, a quantidade de interferência elétrica existente, e principalmente, da distância entre o ponto residencial e o ISP, por exemplo, para a velocidade máxima de 8 Mbps, além das condições ideais do cabeamento, é necessário que a distância entre host e ISP seja de no máximo 3000 metros. Temos ainda as redes de acesso HFC (Hybrid Fiber Coax), que são meios híbridos, combinando fibra óptica e cabos coaxiais, originalmente utilizados para transmissões de TV a cabo, e estendido para outras transmissões de dados. Neste modelo, são utilizados enlaces de fibra entre os geradores de informações de TV aos entroncamentos mais próximos, a partir dos quais são estendidos cabos coaxiais até

31 os pontos finais em prédios ou residências. Um único entroncamento pode suportar de 500 a 5000 residências. A figura 2.10 ilustra o modelo de uma rede HFC. Figura Rede HFC do ponto de distribuição até o sistema final. O modelo HFC exige a utilização de modems especiais, que conectam o usuário doméstico através de uma porta Ethernet 10baseT, e o canal é dividido em dois, um de recepção (downlink), de maior capacidade, e um de transmissão (uplink). Em redes HFC emprega-se um meio de transmissão compartilhado, cada pacote de dados enviado pelo provedor trafega por todos os enlaces até todas as casas, assim como todos os pacotes enviados até o terminal do provedor. Desta forma, se vários usuários estiverem recebendo diferentes conjuntos de dados da Internet, a velocidade real de recepção será menor do que a velocidade nominal podendo levar a problemas de congestionamento. Apesar de muito criticadas, especialmente quando comparadas às redes ASDL, redes HFC apresentam algumas propriedades interessantes, como larguras de banda (up e down) superiores às de redes ASDL (27 Mbps down e 2 Mbps up compartilhados por nó), desde que corretamente dimensionadas Redes de acesso corporativa A forma mais comum, devido a praticidade e baixo custo, de se conectar um sistema final a um roteador de borda em uma rede de acesso corporativa é através de uma rede local (LAN), utilizando a tecnologia padrão Ethernet. Dependendo das

32 tecnologias empregadas, encontramos velocidades que vão de 10 Mbps até 1 Gbps e em breve, 10 Gbps empregando meios físicos de transmissão como cabos coaxiais, fios de cobre trançados e fibras ópticas, e não esqueçamos as transmissões por enlaces sem fio, cada vez mais presentes e mais velozes. No modelo Ethernet, podem ser utilizados meios de transmissão compartilhado, de forma que os sistemas finais compartilham a velocidade de transmissão da LAN, ou múltiplos segmentos que permitem a utilização da totalidade da largura de banda por diferentes usuários, caracterizando uma Ethernet comutada. Estas LANs são conectadas a roteadores de borda, que são suas portas de entrada para a malha de comutadores da rede Redes de acesso móvel Neste modelo, sistemas finais portáteis utilizam o espectro de rádio (em diferentes freqüências, dependendo do tipo de tecnologia) para conectarem-se a dispositivos chamados de estação-base, que por sua vez estão ligados a roteadores de borda da rede. Muitas das tecnologias de redes de acesso móvel ainda não operam segundo um padrão estabelecido, seguido por todos. Um dos padrões mais empregados atualmente é o CDPD (Cellular Digital Packet Data), de pacote de dados celular digital. Neste modelo, é utilizado o mesmo espectro de rádio do sistema de telefonia celular, permitindo o acesso sem fio aos roteadores de borda dos ISP. Este meio de transmissão é compartilhado com outros sistemas que operam com CDPD, sendo necessário um protocolo MAC (Media Access Control) que controle o acesso ao meio de transmissão. Este modelo suporta a utilização do protocolo IP, permitindo a troca de pacotes IP entre um sistema final e uma estação-base através de um canal de transmissão sem fio. Concluindo, é muito comum encontrarmos rede que empregam diversas destas tecnologias, como exemplificado na figura 2.11, combinado-as de acordo com suas necessidades de forma a obter a melhor solução pela relação custo/benefício

33 Figura Uma rede residencial empregando HFC, Ethernet e wireless Meios físicos de transmissão de dados Os meios físicos de transmissão são os canais pelo qual os bits serão propagados na forma de ondas eletromagnéticas ou pulsos ópticos. Diferentes tecnologias podem ser empregadas nestes meios físicos, resultando em diferentes modelos de transmissão de dados, com diferentes velocidades. Podemos classificar os meios físicos como guiados, quando as ondas são guiadas através de um meio sólido, como um cabo coaxial, trançado ou fibra óptica, ou não guiados, onde as ondas propagam-se pela atmosfera e no espaço de forma livre, como ondas de rádio. A seguir veremos as características dos meios físicos mais populares empregados Cabos coaxiais A utilização de cabos coaxial para a interligação de computadores foi uma das primeiras soluções para a montagem de redes de custo relativamente baixo e que apresentavam uma boa proteção contra a indução de ruídos na transmissão, devido a sua estrutura física de montagem, que forma uma blindagem eletromagnética. A figura 2.12 ilustra a estrutura básica de um cabo coaxial