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1 ANÁLISE DE DESEMPENHO DA PILHA TCP/IP UTILIZANDO UDP SOBRE IPV6: UM ESTUDO COMPARATIVO ENTRE DOIS SISTEMAS OPERACIONAIS RAFAEL ALVES TUBELO Porto Alegre, julho de 2008.

2 RAFAEL ALVES TUBELO ANÁLISE DE DESEMPENHO DA PILHA TCP/IP UTILIZANDO UDP SOBRE IPV6: UM ESTUDO COMPARATIVO ENTRE DOIS SISTEMAS OPERACIONAIS Trabalho de Conclusão de Curso II apresentado à Faculdade de Informática, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Sistemas de Informação. Orientador: Me. Atila Bohlke Vasconcelos Porto Alegre, julho de

3 Dedico este trabalho a meu Pai (Graciano), minha Mãe (Vera Regina), e meus irmãos (Carolina e Rodrigo).

4 Agradeço aos meus pais, irmãos e todos meus familiares pelo apoio. Em especial quero agradecer a ajuda e empenho de meu professor orientador Atila Bohlke Vasconcelos, que sempre teve paciência e atenção nos momentos em que necessitei de ajuda. Também quero estender meus agradecimentos a todos os professores do curso de Sistemas de Informação do Uniritter, pela dedicação e conhecimentos transmitidos nestes anos de estudos.

5 Você não pode ensinar nada a um homem, você pode apenas ajudá-lo a encontrar a resposta dentro dele mesmo. (Galileu Galilei)

6 RESUMO Com o crescimento exponencial da Internet nos últimos anos, a alocação de números do atual protocolo IPv4 esta chegando ao fim. Com a finalidade de resolver este problema, foi desenvolvida uma nova versão do protocolo que é conhecida como IPv6. O IPv6 possui um total de 128 bits de endereçamento contra os 32 bits do atual IPv4. Este trabalho tem como objetivo mensurar o desempenho da pilha TCP/IP sobre IPv6. O desempenho é medido em dois diferentes sistemas operacionais, sendo eles o Windows XP SP2 e o Linux Ubuntu A realização dos experimentos é realizada através da troca de pacotes UDP entre aplicações cliente/servidor desenvolvidas em linguagem C. Os pacotes UDP têm tamanhos variados e estipulados diretamente no código da aplicação desenvolvida para realização do experimento. Os indicadores utilizados para a métrica de desempenho são o tempo total de abertura/geração de um socket UDP e seu fechamento. Também é realizada a medição do RTT (Round Trip Time), efetuando troca de dados UDP entre dois computadores necessariamente portando as mesmas configurações de hardware e software. Através dos dados obtidos com a troca de pacotes UDP sobre IPv6, é realizada uma análise comparativa sobre o desempenho apresentado entre os dois sistemas operacionais estudados neste trabalho de conclusão de curso. Palavras-Chave: protocolo UDP IPv6 TCP/IP desempenho socket 6

7 ABSTRACT With the exponential growth of the Internet in the last years, the allocation of numbers of the current IPv4 protocol is coming to the end. In order to solve this problem, was developed a new version of the protocol that is known as IPv6. The IPv6 has a total of 128 bits of addressing the 32-bit against the current IPv4. This paper aims to measure the performance of the stack TCP / IP on IPv6. The performance is measured in two different operating systems, which are Windows XP SP2 and Linux Ubuntu The completion of the experiments is carried out through exchange of UDP packets between applications client / server developed in language C. The UDP packets have different sizes and set directly into the application code developed for conducting the experiment. The indicators used to the metric of performance is the total time for opening / generation of a socket UDP and its closing. It will also be conducted to measure the RTT (Round Trip Time), making exchange of data between two computers UDP necessarily bearing the same configuration of hardware and software. Through the data obtained from the exchange of UDP packets on IPv6, it held a comparative analysis on the performance presented between the two operating systems studied in this work of completion of travel. Keywords: Protocol - UDP - IPv6 - TCP / IP - performance - socket 7

8 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS API Application Programming Interface ARP Address Resolution Protocol ATM Asynchoronous Transfer Mode BSD Berkeley Software Distribution DARPA Defense Advanced Research Project Agency DOD Department of Defense FDDI Fiber Distributed Data Interface FTP File Transfer Protocol GCC GNU Compiler Collection ICMP Internet Control Message Protocol ICMPv6 Internet Control Message Protocol version 6 IETF Internet Engineering Task Force IGMP Internet Group Management Protocol IP Internet Protocol IPng Internet Protocol Next generation IPv4 Internet Protocol version 4 IPv6 Internet Protocol version 6 ISO International Standards Organization LAN Local Area Networks MTU Maximum Trasmit Unit NAT Network Address Translation NFS Network File System OSI Open Systems Interconnection QoS Quality of Service RARP Reverse Address Resolution Protocol RFC Request for Comments RTT Round Trip Time 8

9 S.O. TCP UDP Sistema Operacional Transmission Control Protocol User Datagram Protocol 9

10 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Modelo TCP/IP Figura 2 - Modelo OSI Figura 3 - Protocolos da Camada de Rede Figura 4 - Cabeçalho IPv Figura 5 - Cabeçalho IPv Figura 6 - Comparação das camadas de rede IPv4 e IPv Figura 7 - Estrutura de um Socket Figura 8 - Tipos de Sockets e comunicação Figura 9 - Comunicação UDP Cliente-Servidor Figura 10 - Cabeçalho UDP Figura 11 - Funções sockets cliente-servidor UDP Figura 12 - Cliente/Servidor de ECO simples UDP Figura 13 - Arquitetura Cliente/Servidor UDP em Loopback Figura 14 - Arquitetura Cliente/Servidor UDP Ethernet Figura 15 - Trecho de código socket UDP com contador do Windows XP Figura 16 - Trecho de código socket UDP com contador do Linux Figura 17 - Configuração IPv6 Cliente/Servidor Figura 18 - Tempos em Loopback Winsock Figura 19 - Tempo médio Winsock Figura 20 - Tempo médio em Loopback Windows com corte de 10% Figura 23 - Média dos tempos Cliente/Servidor Windows com corte de 10% Figura 24 - Tempos em Loopback Linux Figura 25 - Média dos tempos em loopback Linux Figura 26 - Média dos tempos em loopback Linux com corte de 10% Figura 27 - Tempos em Cliente/Servidor Linux Figura 28 - Média dos tempos Cliente/Servidor Linux Figura 29 - Média dos tempos Cliente/Servidor Linux com corte de 10% Figura 30 - Comparação de desempenho em Loopback Figura 31 - Comparação de desempenho Cliente/Servidor entre Linux x Windows Figura 32 - Chamada sockets Linux Figura 33 - Chamada Winsock

11 SUMÁRIO RESUMO... 6 ABSTRACT... 7 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS... 8 LISTA DE FIGURAS SUMÁRIO INTRODUÇÃO REFERENCIAL TEÓRICO A Internet Pilha TCP/IP Modelo TCP/IP Modelo OSI O protocolo IP O protocolo IPv O protocolo IPv APIs Sockets Protocolo UDP e sua API Socket MEDIDAS DE DESEMPENHO Métricas de Desempenho TRABALHOS RELACIONADOS SOLUÇÃO DESENVOLVIDA Contadores de desempenho do Sistema Operacional Ambiente de análise Configuração das máquinas Cliente/Servidor IPv ANÁLISE DE RESULTADOS Desempenho Windows XP SP Desempenho Linux Ubuntu Comparação de desempenho Window e Linux CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

12 1. INTRODUÇÃO A Internet vem tendo uma aceitação muito rápida, fazendo com que seu crescimento tenha sido exponencial nos últimos anos. Este fato deve-se principalmente pelo fácil acesso à internet Banda Larga utilizado para diferentes fins, sejam eles, pessoais, profissionais ou acadêmicos. Com este rápido crescimento surge paralelamente uma preocupação, a exaustão de números IP, um protocolo presente na pilha TCP/IP mundialmente utilizada para comunicação na Internet. A necessidade de uma mudança é visível devido ao crescimento e utilização de números IP na Internet. O atual protocolo IP (IPv4) necessita ser substituído, e com este foco a IETF (Internet Engineering Task Force) iniciou da década de 90 o desenvolvimento de um novo esquema de numeração IP. Em 1995 o desenvolvimento do novo protocolo, conhecido como IPv6 foi lançado. Diversos artigos, (PALET, 2007) (ILJITSCH, 2007) prevêem que em algum momento entre os anos de 2009 e 2011 não existirão mais números IPv4 livres para alocação na Internet. Soluções paliativas existem, mas a solução de longo prazo é a migração para o mecanismo de numeração IPv6 na pilha do protocolo TCP/IP. A elaboração deste trabalho de conclusão de curso tem como objetivo efetuar uma análise de desempenho da pilha TCP/IP com a implementação do protocolo IPv6 trocando pacotes UDP através de sockets de rede em diferentes sistemas operacionais. A troca de pacotes é gerada através de programas protótipos desenvolvidos em linguagem C. A arquitetura utilizada para a medição de desempenho é realizada através das aplicações desenvolvidas como cliente/servidor UDP sobre IPv6. O estudo de desempenho realizado utiliza diferentes sistemas operacionais (Windows XP SP2, Linux Ubuntu 7.04 com kernel ) com o objetivo de identificar eventuais diferenças de desempenho na utilização desta pilha com numeração IPv6. Cada sistema operacional tem a sua própria pilha TCP/IP, por isso é pertinente a comparação do desempenho dela em diferentes sistemas operacionais. Esta comparação é motivada por diversos fatores; dentre eles podemos citar os aspectos comerciais inerentes à adoção de um sistema operacional com o melhor ou pior desempenho e a satisfação pessoal 12

13 proporcionada por este tema. A motivação comercial é justificada pela iminente extinção de números IPv4 livres para alocação. A motivação pessoal é voltada ao interesse sobre o assunto relacionado à pilha TCP/IP utilizando o protocolo IPv6. Com a previsão da exaustão dos números IPv4 é importante que os profissionais da área conheçam as vantagens e desvantagens do novo protocolo. Esse conhecimento será exigido dos profissionais responsáveis por tomadas de decisão. Algumas dessas decisões podem ser relacionadas à escolha do melhor sistema operacional para assuntos referentes à Internet, comunicações de dado e seu desempenho. Este trabalho esta organizado em 7 capítulos que podem ser divididos em dois grupos. A parte inicial do texto procura colocar o leitor no contexto sobre a necessidade de um futuro próximo ser utilizado o protocolo IPv6. A segunda parte aborda o tema foco do trabalho que é a análise de desempenho da pilha TCP/IP utilizando numeração IPv6 em diferentes sistemas operacionais. No capítulo 2 o leitor é introduzido aos protocolos utilizados na Internet e comunicação de dados. É realizado o detalhamento dos protocolos IPv4 e IPv6 assim como também detalhes das camadas da pilha TCP/IP. São apresentadas o protocolo UDP e suas API s sockets de rede. No capítulo 3 o leitor é direcionado as medidas de desempenho utilizadas para os métodos da análise e propõe a forma como é avaliado os dados coletados. O capítulo 4 apresenta alguns materiais de estudo realizados por diferentes autores sobre o assunto abordado por este trabalho. Realizando medições de desempenho entre protocolos, meios e medidas diferenciadas. No capítulo 5 deste trabalho é mostrado a solução proposta para realização da comparação de desempenho do protocolo IPv6 sobre UDP em diferentes sistemas operacionais. É mostrada a funcionalidade e o mecanismo utilizado na troca de pacotes da aplicação desenvolvida para realização das medidas e abordado a arquitetura e ambientes para a análise. O capitulo 6 demonstra os resultados obtidos na análise de desempenho realizada, utilizando os mecanismos e métricas adotados neste trabalho. Por fim no capítulo 7 são realizadas as considerações finais. Neste capítulo são relatadas as conclusões obtidas, as dificuldades encontradas e proposta de trabalhos futuros sobre o tema abordado neste trabalho de conclusão de curso. 13

14 2. REFERENCIAL TEÓRICO 2.1 A Internet A Internet originou-se de uma estratégia militar norte-americana. A idéia iniciou-se na década de 60, auge da Guerra Fria, o DOD (Departamento de Defesa dos Estados Unidos) desejava criar uma rede de computadores capaz de ligar pontos estratégicos, como centros de pesquisa e tecnologia, capaz de suportar possíveis bombardeios. A estrutura proposta pelo DOD permitiria que todos os pontos (nós) tivessem o mesmo status de acesso. Os dados poderiam ser transmitidos em qualquer sentido. O projeto ficou conhecido como ARPAnet, visto que o órgão responsável por sua realização foi a Advanced Research Projects Agency (Agência de Projetos de Pesquisa Avançada). Em 1970 essa rede interligava quatro universidades norte-americanas. Quatro anos depois 40 instituições acadêmicas faziam parte da ARPAnet, com seus computadores trocando mensagens e arquivos entre si. O nome Internet começou a ser utilizado em 1982, pouco depois, em 1983, foi estabelecido como protocolo padrão da Internet o TCP/IP. Segundo Kurose; Ross (2003) a Internet é uma infra-estrutura de rede que fornece serviços para aplicações distribuídas. Com a adoção do protocolo TCP/IP a Internet teve uma aceitação muito rápida, tendo um crescimento exponencial nos últimos anos. Esse crescimento começa a refletir situações antes não consideradas pelos criadores e desenvolvedores da Internet e do seu protocolo padrão o TCP/IP. Uma das maiores preocupações com o aumento exponencial da utilização da Internet é a exaustão de alocações de números IP (um dos componentes da pilha TCP/IP), conforme veremos a seguir. 14

15 2.2 Pilha TCP/IP Protocolo é um acordo sobre como alguma coisa irá funcionar (AMETT, 1997). A pilha TCP/IP surgiu com o objetivo de padronizar um conjunto de protocolos para comunicação em diferentes redes e sistemas operacionais. Estes protocolos são agrupados na forma de uma pilha de protocolos, sendo os principais o TCP e o IP. O IP também é conhecido como o protocolo da Internet. O protocolo TCP/IP é, na verdade, um grupo de protocolos que trabalham conjuntamente, com o objetivo de estabelecer a comunicação e a transferência de dados entre dois ou mais computadores ligados em rede (Wirth, 2002, p. 107). O TCP/IP foi facilmente absorvido para utilização na Internet devido à facilidade imposta pelo Governo Americano em disponibilizar a pesquisadores de universidades uma implementação de baixo custo do protocolo, através do sistema operacional UNIX. A estratégia foi integrar o TCP/IP no Berkeley UNIX, sistema disponível na Berkeley Software Distribution (BSD), da universidade da Califórnia, nos Estados Unidos. O sistema tornou-se rapidamente popular porque oferecia a pilha de protocolos TCP/IP, além de programas aplicativos para ele e facilidade na utilização dos serviços de rede. Além de um conjunto de programas utilitários, o Berkeley UNIX apresentou uma nova abstração para o sistema operacional, conhecida como socket. O socket designa aos programas de aplicação a responsabilidade de acessar os protocolos de comunicação integrados no sistema operacional. O socket permite que essas aplicações acessem as diversas camadas do modelo TCP/IP. Originalmente a pilha TCP/IP foi desenvolvida contendo quatro camadas que interagem independentemente entre si, ficando conhecida como Modelo TCP/IP, conforme mostrado na seção Com o crescimento na utilização do TCP/IP, foi necessário obter uma melhor padronização da pilha de protocolos. Com a finalidade de promover a interoperabilidade entre sistemas, em 1984 foi desenvolvido pela ISO (International Standards Organization) o modelo OSI (Open Systems Interconnection). O modelo proposto pela ISO divide a pilha de protocolos em sete camadas. 15

16 2.2.1 Modelo TCP/IP A estrutura do modelo TCP/IP foi desenvolvida pelo DARPA (Defense Advanced Research Project Agency), um departamento do DOD. O modelo da pilha TCP/IP foi projetado possuindo quatro camadas independentes que trocam informações entre si. O modelo TCP/IP tomou sua forma original no ano de 1978, e divide a pilha de protocolos utilizando quatro camadas, sendo elas: Aplicação Transporte Internet Rede Figura 1 - Modelo TCP/IP As implementações que correspondem a cada camada se comunicam com as camadas correspondentes em outros computadores, mas para isso, devem enviar mensagens através das camadas inferiores que operam em suas próprias pilhas (STARLIN, 1998). Cada camada do modelo TCP/IP possui uma função e se comunica com a camada inferior e superior. Vejamos a função de cada camada do modelo TCP/IP. Camada 1 Rede: É uma camada de abstração do hardware de rede, tem como função principal prover a interface do TCP/IP com tipos de redes diversificadas (X.25, ATM, FDDI, Ethernet, Token Ring, Frame Relay, etc). Segundo Starlin (1998), um recurso de rede, para pertencer à camada de Rede, deve possuir os recursos de transmissão de dados a partir de sinais sobre um determinado meio de comunicação. Camada 2 Internet: Sua tarefa é permitir que os hosts injetem pacotes em qualquer rede e garantir que eles sejam transmitidos independente do destino. A camada Internet define um formato de pacote oficial e um protocolo chamado IP (Internet Protocol), sendo de sua responsabilidade entregar pacotes IP onde eles são necessários (TANEMBAUM, 1997). A finalidade da camada de Internet é 16

17 escolher o melhor caminho para os pacotes viajarem através da rede. A determinação do melhor caminho e a comutação de pacotes ocorre nesta camada. A camada da Internet contém quatro protocolos principais: ARP, IP, ICMP e IGMP. É uma camada não orientada a conexão, portanto se comunica através de datagramas. Camada 3 Transporte: Oferece serviços de transporte desde o host de origem até o host de destino. A camada de transporte forma uma conexão lógica entre dois pontos da rede, o host emissor e o host receptor. Os protocolos de transporte segmentam e remontam os dados das aplicações de camada superior enviados dentro do mesmo fluxo de dados, ou conexão lógica, entre os dois pontos. O fluxo de dados da camada de transporte oferece serviços de transporte ponta-a-ponta. A camada de transporte é a responsável pela utilização do protocolo TCP (Transmission Control Protocol) e o UDP (User Datagram Protocol), ambos sendo protocolos conhecidos como fim a fim. A primeira função da camada de transporte é prover a comunicação de um programa aplicativo para outro (Comer, 1998, p. 185). Camada 4 Aplicação: Trata de protocolos de alto nível, questões de representação, codificação e controle de diálogos. Combina todas as questões relacionadas às aplicações em uma única camada e garante que esses dados são empacotados corretamente antes de passá-los adiante para a próxima camada. A camada de Aplicação interage diretamente com os softwares utilizados pelo usuário final, como navegadores, gerenciadores de correio eletrônico e troca de arquivos. Um recurso de rede, para pertencer à camada de processo e aplicação, deve fazer comunicação direta com o usuário e fornecer ao mesmo o acesso a algum tipo de serviço, como correio eletrônico ou transferência de arquivos. Este deve se comunicar com o sistema de comunicação de rede TCP/IP como um todo (Stalin, 1998, p. 28). 17

18 Em 1977, sediada em Genebra, a ISO (International Organization for Standardization) criou um comitê para desenvolver padrões de comunicação de dados e interoperabilidade entre fornecedores e sistemas. Através deste comitê foi criado o modelo OSI do protocolo TCP/IP. O modelo de referencia OSI serve como uma diretriz para a divisão das tarefas de comunicação. A seguir destacam-se as características do modelo OSI Modelo OSI O modelo OSI foi apresentado no ano de 1978, tendo como propósito mostrar como implementar comunicação entre dois sistemas sem requerer modificações lógicas, tanto a níveis de hardware quanto de software. Tanenbaum, 1998 (apud DAY, ZIMMERMANN, 1983), diz que: O modelo OSI foi baseado como um primeiro passo na direção da padronização internacional dos protocolos usados nas diversas camadas. O modelo OSI não é uma arquitetura de rede, ele não especifica serviços e protocolos que devem ser usados em cada camada, mas sim o que deve ser feito em cada uma das sete camadas. Desta forma a ISO produziu padrões para cada camada do modelo OSI. O modelo OSI não é um protocolo, ele é um modelo que auxilia na compreensão e projeto de novas arquiteturas de rede que sejam ao mesmo tempo flexíveis, robustas e interoperáveis (Forouzan, 2006, p. 760). No modelo OSI cada camada fornece um conjunto de funções para a camada de cima e, em troca, conta com as funções fornecidas pela camada de baixo. Cada camada é independente entre si e executa somente suas funções, sem se preocupar com as funções das camadas superiores ou inferiores. O modelo de referencia OSI é extremamente útil como uma ferramenta de análise dos vários serviços e protocolos de rede. Através da divisão das tarefas de comunicação em camadas, é possível realizar um estudo mais adequado de possíveis falhas e melhorias nas comunicações em rede. Abaixo temos a divisão do modelo OSI e suas camadas 18

19 Figura 2 - Modelo OSI Camada 1 Física: A camada física realiza tarefas básicas no processo de transmissão de dados, principalmente prover serviços à camada de Enlace de Dados. Deve controlar o meio de transmissão, além de tomar decisões sobre a direção do fluxo de dados. Conforme Soares (1995), o nível físico fornece as características mecânicas, elétricas, funcionais e de procedimento para ativar, manter e desativar conexões físicas para a transmissão de bits entre entidades de nível de enlace. Camada 2 Enlace de Dados: A camada de enlace tem como objetivo detectar e em alguns momentos corrigir possíveis erros ocorridos no nível físico da pilha TCP/IP. É responsável por transportar pacotes de um nó (computador ou roteador) a outro através da rede. Ela recebe os serviços da camada física e provê serviços para a camada de rede. De forma mais objetiva pode-se dizer que a camada de Enlace tem como tarefa realizar o encapsulamento, endereçamento, controle de fluxo, controle de acesso ao meio e controle de erros. Camada 3 Rede: A camada de rede é a responsável pela determinação do trajeto de pacotes de dados em uma rede. Nesta camada esta alocado um dos protocolos mais importantes para o funcionamento da Internet, o protocolo IP. É responsável por manter as tabelas de roteamento e determinar a rota disponível mais rápida e especificar o momento de utilizar rotas alternativas. A camada de rede roteia os pacotes os pacotes através de vários dispositivos da rede, de modo a garantir que 19

20 os dados cheguem ao destino correto. Segundo Kurose; Ross (2003), a camada de rede deve determinar a rota ou o trajeto tomado pelos pacotes de um remetente até seu destinatário, utilizando-se algoritmos que calculam o melhor caminha a seguir. Esses algoritmos são chamados de algoritmos de roteamento. Camada 4 Transporte: Essa camada é considerada como um nível de transição, ou seja, a última camada do modelo OSI que gerencia os pacotes de roteamento e a recuperação de erros. Nesta camada encontram-se os dois principais protocolos utilizados na Internet, o TCP (orientado a conexão) e o UDP (não orientado a conexão). A camada de transporte fornece a transferência de dados de uma ponta a outra. Aplicações múltiplas podem ser suportadas simultaneamente. A camada de transporte é responsável pelo fornecimento de um intercâmbio de informações confiável (Murhammer; Atakan; Bretz; Pugh; Suzuki; Wood, 1998, p. 12). Camada 5 Sessão: É a camada controladora de dialogo, estabelece, mantém e sincroniza a interação entre sistemas de comunicação. Estabelece uma sessão de comunicação entre os aplicativos, por exemplo, entre um cliente e um servidor FTP. As tarefas específicas da camada de sessão incluem o Controle de Diálogo e a Sincronização. O controle de diálogos permite que dois sistemas iniciem uma comunicação no modo half ou full-duplex. A sincronização permite que um processo adicione pontos de verificação (check points) e de sincronização (synchronization points) em uma cadeia de dados. Isso possibilita que durante a transmissão de dados, caso ocorra uma falha, será necessário retransmitir os dados a partir do último Check Point. Camada 6 Apresentação: É responsável pela sintaxe e semântica da informação trocada entre dois sistemas. De forma resumida pode-se dizer que a camada de apresentação realiza a tradução, criptografia e a compressão dos dados recebidos. Camada 7 Aplicação: A última camada do modelo OSI é a que permite que os usuários acessem a rede fornecendo interfaces de serviço. É na camada de Aplicação onde são encontradas as funções realizadas pelos gerenciadores de e- 20

21 mails, navegadores de internet, programas de FTP, dentre outros. Conforme Sampaio (2000), a camada de aplicação não toma conhecimento de como a mensagem chegou ou chegará ao seu destino, pois todo o serviço deve ser realizado pelas camadas inferiores. A comunicação na Internet funciona devido à utilização da pilha TCP/IP. O modelo OSI serve como referência para implementação de serviços de comunicação que visam à interoperabilidade entre sistemas diversos. Dentre os protocolos existentes na pilha TCP/IP temos o Internet Protocol. O IP, presente na camada 3 do modelo OSI é o protocolo responsável pela identificação de um computador ligado na rede, seja ela local ou a própria Internet. O IP possui duas versões, conhecidas como IPv4 e IPv6 respectivamente, a seguir veremos o funcionamento e características de ambas versões do protocolo de internet. 2.3 O protocolo IP O protocolo IP é responsável pela comunicação entre maquinas em uma rede de estrutura TCP/IP. O IP é um protocolo que opera na camada de Rede do modelo OSI, em conjunto com protocolos como ARP, RARP, ICMP e IGMP. Um endereço IP, é um endereço de Internet, desta forma ele deve ser único em uma rede. É o protocolo que oculta uma rede física, criando uma visão virtual da rede. O IP é considerado um protocolo de entrega de pacotes não confiável e não orientado a conexão. A tarefa do IP é fornecer a melhor forma de transportar datagramas da origem para o destino, independente de essas maquinas estarem na mesma rede ou em redes intermediárias (Tanenbaum, 1997, p. 470). Figura 3 - Protocolos da Camada de Rede 21

22 A versão atualmente mais utilizada do protocolo IP é conhecida como IPv4 (cuja representação dos seus endereços é por um valor binário inteiro de 32 bits que geralmente são expressos em formato decimal com pontos). Existe em desenvolvimento uma nova versão para o protocolo, denominada IPv6, que visa a substituição do protocolo IPv4. Sua criação é devido ao crescimento exponencial da Internet, fato que esta esgotando o número possível de alocação de números IP de 32 bits. A seguir destacam-se as principais características do IPv4 e posteriormente o IPv6 e suas mudanças em relação à versão anterior do protocolo O protocolo IPv4 O IP é um protocolo para entrega universal de dados, independente do tipo de rede e meio utilizado. Os dados são empacotados em datagramas, que compreendem algumas informações necessárias para controle e carga (playload) dos dados a serem entregues. Cada pacote enviado através da rede contém o endereço IP de 32 bits do remetente e respectivamente do destinatário. As informações de controle são contidas no inicio do datagrama, denominado cabeçalho. Os datagramas são serviços não orientados a conexão, pois cada pacote é enviado separadamente na rede, podendo percorrer caminhos distintos até chegar ao seu destino. No destino, será utilizado o cabeçalho do datagrama para realizar a remontagem dos pacotes e efetuar a leitura dos dados enviados. 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 (Comer, 2001, p. 220). 22

23 Figura 4 - Cabeçalho IPv4 Como visto na Figura 4 - Cabeçalho IPv4, um datagrama IP possui um total de 13 campos, formando assim o conjunto do cabeçalho IP acrescido dos dados transmitidos no pacote. Cada datagrama IP começa com um cabeçalho comum, podendo ser visto como uma estrutura byte a byte, ou bit a bit. O cabeçalho de um datagrama IPv4 tem no mínimo 20 bytes de comprimento. Abaixo o significado e função de cada campo do cabeçalho IPv4. O campo VERS identifica a versão atual do IP implementado pela estação de rede. Em seguida temos o tamanho do cabeçalho, denominado HLEN, possuindo o tamanho do cabeçalho IP expresso em valores de 32 bits. Ele não inclui o campo de dados. O Tipo de Serviço é o campo onde possui a indicação da qualidade do serviço requerido pelo datagrama IP. É usado para classificar o datagrama para priorização, uso de recursos e roteamento dentro da rede. Especificado em 2 bytes, é apresentado o campo de Tamanho do Datagrama, ou comprimento total. O tamanho dos dados transportados pelo datagrama pode ser calculado subtraindo-se o tamanho do cabeçalho (IHL) do tamanho do datagrama. Isso limita a quantidade de dados transportados por um datagrama IP a bytes menos o tamanho do cabeçalho. A segunda palavra do datagrama IP refere-se a maneira de como ele é tratado no meio do caminho da rede, ele pode chegar a um salto que necessite ser dividido em partes menores para encaminhamento. O primeiro campo é o Identificador do datagrama/fragmento (ID). O Identificador do Datagrama é um numero único designado pelo remetente para auxiliar no re-agrupamento de um datagrama fragmentado. A seguir é apresentado o campo de FLAGS que identifica a posição de parte de um datagrama

24 quebrado e por fim o campo de Deslocamento do Datagrama. O deslocamento é utilizado somente com datagramas fragmentados, e tambem tem como objetivo auxiliar no reagrupamento das partes dos datagramas fragmentados. Apresentado na terceira linha, o Tempo de Vida, também conhecido como TTL (Time to Live), especifica o tempo em segundos que um datagrama tem permissão para viajar. É utilizado para evitar que os datagramas sejam encaminhados pela rede indefinidamente, em um processo chamado Looping. Após o TTL, o cabeçalho IP transporta um identificador chamado Protocolo, que diz ao receptor que protocolo esta sendo transportado no playload. Depois do identificador de protocolo, ocupando um espaço de 2 bytes temos o campo de Checksum. O CHECKSUM é um verificador de soma do cabeçalho, não inclui dados. É calculado como complemento de um dos 16 bits da soma do complemento de um de todas as palavras de bits no cabeçalho IP. Quando a verificação não der o resultado esperado, o pacote é descartado. Na quarta e quinta linhas do cabeçalho estão presentes o Endereço IP de Origem e o Endereço IP de Destino respectivamente. São utilizados para identificar o emissor e receptor dos dados. Após o final do cabeçalho padrão de 20 bytes, podem existir algumas Opções de IP. O campo de Opções é utilizado para acrescentar controle seletivo aos datagramas e são opcionais. Os números IPv4 são compostos de 32 bits, geralmente são representados na formação decimal através de 4 octetos. Como exemplo o número (notação decimal pontuada), onde sua representação binária é igual a (notação binária pontuada). Com o crescimento acelerado da Internet, o numero de utilização do protocolo IPv4 vem acompanhado lado a lado esse crescimento, gerando um problema não previsto durante o seu desenvolvimento. Devido à capacidade de numeração ser de 2 32 e a Internet ter crescido exponencialmente nos últimos anos, estamos próximos do limite de alocação da numeração IP. Teoricamente o numero máximo de hosts conectados a Internet pode ser de , deve-se levar em consideração endereços reservados, privados, que faz com que o número disponível seja menor. Soluções paliativas para resolver o problema da escassez de números IPv4 existem, como as Mascaras de Rede e NAT, mas a solução de longo prazo é a migração para um novo mecanismo de numeração, chamado IPv6. 24

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