Tecnologias da Internet

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1 UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Departamento de Informática Tecnologias da Internet Licenciaturas em: - Engenharia Informática - Tecnologias e Sistemas de Informação 2. Arquitecturas de Suporte à Comunicação em Rede Ano Lectivo 2010/2011

2 Arquitecturas para a Interligação de Sistemas Uma arquitectura de comunicação (ou arquitectura protocolar) define e descreve um conjunto de conceitos (tais como, por exemplo, camadas, serviços, protocolos, modos de comunicação, identificadores, nomes e endereços) aplicáveis à comunicação entre sistemas reais constituídos por hardware, processos físicos, software de comunicação, processos de aplicação e utilizadores humanos. De uma forma lata, uma arquitectura de comunicação define a estrutura e comportamento da parte de um sistema real que é visível para outros sistemas ligados em rede, enquanto envolvidos na transferência e processamento de conjuntos de informação. Arquitecturas Abertas: OSI (Open Systems Interconnection) da ISO TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) da IETF Arquitecturas Proprietárias: SNA (Systems Network Architecture) da IBM DNA (Digital Network Architecture) da Digital XNS (Xerox Network Systems) da Xerox Netware da Novell Appletalk da Apple NetBiOS (Network Basic Input/Output) / NetBEUI (NetBios Extended User Interface) Outras arquitecturas (LAN Manager, Vines - Virtual Network System, Ungermann-Bass) Modelo de Referência OSI O modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection) da ISO resulta de um projecto de grande envergadura conduzido pela ISO (International Standards Organization), durante os anos 70 e 80. O objectivo inicial do projecto consistia em desenvolver um enquadramento que permitisse a elaboração de normas para a interligação de sistemas abertos, isto é, sistemas modulares totalmente independentes dos fabricantes. Razões de exequibilidade, de mercado e de desenvolvimento tecnológico levaram a que esse objectivo não fosse alcançado na sua generalidade. Tecnologias da Internet (2010/2011) 19

3 Razões para o Desenvolvimento de um Modelo de Referência Necessidade de interligação e inter-operação de diferentes sistemas de computadores, independentemente dos fabricantes, do tipo e do local, isto é, necessidade de sistemas abertos. A interligação de sistemas abertos requer normas que cubram uma vasta gama de funções mais ou menos complexas e inter-relacionadas. O Modelo de Referência: Descreve a estrutura da comunicação entre sistemas; Identifica as normas requeridas por essa estrutura. Modelo Arquitectural Adoptado Tem por base uma abordagem estratificada do problema da comunicação entre sistemas. As funções relativas à comunicação entre dois ou mais sistemas são agrupadas, segundo critérios de afinidade, em classes ou camadas. Essas funções interessarão a outras camadas, dentro do mesmo sistema e, eventualmente, também a outros sistemas. Para tirar partido de um modelo organizado em camadas: Num dado sistema, cada camada interage apenas com as que lhe são contíguas. Cada camada de um determinado sistema dialoga apenas com a camada homóloga do sistema interlocutor. Desta forma, cada camada é definida pelas regras de interacção vertical (camadas adjacentes do mesmo sistema) e pelas regras de interacção horizontal (camadas homólogas de outros sistemas). Regras de interacção vertical --> Serviços Regras de interacção horizontal --> Protocolos Tecnologias da Internet (2010/2011) 20

4 Visão Geral do Modelo OSI Na figura 1 encontram-se representadas as 7 camadas do modelo de referência OSI Camada de Aplicação Camada de Apresentação Camada de Sessão Camada de Transporte Camada de Rede Camada de Ligação de Dados Camada Física Meio Físico de Comunicação Fig. 1. Camadas do Modelo OSI Funções das Camadas de Alto Nível Camada de Aplicação Interface do utilizador com os serviços de informação distribuídos (exemplos: correio electrónico, transferência de ficheiros); Identificação dos intervenientes na comunicação; Determinação da disponibilidade dos recursos de comunicação; Acordo sobre os mecanismos de segurança a utilizar; Acordo sobre a responsabilidade da recuperação de erros; Selecção da disciplina de diálogo (incluindo procedimentos para o estabelecimento e corte das ligações). Camada de Apresentação Negociação e selecção da sintaxe a utilizar durante as transferências de informação; Codificação e descodificação de dados (exemplo: cifragem, decifragem); Compressão e descompressão de dados. Tecnologias da Internet (2010/2011) 21

5 Camada de Sessão Gestão das interacções (simplex, half-duplex, duplex); Estabelecimento de pontos de sincronismo para reínicio do diálogo, após eventuais falhas; Geração de notificações em situações de erro não recuperáveis. Camada de Transporte Interface entre as camadas superiores e as camadas dependentes da rede (camadas inferiores); Transferência fiável de informação entre dois quaisquer pontos da rede; Adaptação às características das redes subjacentes. Funções das Camadas de Baixo Nível: Camada de Rede Estabelecimento de ligações entre entidades de nível de transporte, isto é, ligações entre sistemas terminais da rede; Endereçamento; Encaminhamento; Controlo de fluxo e controlo da congestão. Camada de Ligação Lógica Transferência fiável entre nós consecutivos da rede; Detecção de erros; Correcção de erros; Controlo de fluxo. Camada Física Interface físico e eléctrico entre o equipamento do utilizador e o equipamento de acesso à rede; Adaptação ao meio físico de comunicação. Tecnologias da Internet (2010/2011) 22

6 Conceitos subjacentes O modelo de referência OSI estabelece um conjunto de conceitos aplicáveis, não só em arquitecturas abertas, mas também à generalidade das arquitecturas de comunicação, independentemente de serem proprietárias ou não. A seguir abordam-se alguns desses conceitos. Camadas, Entidades e Serviços Cada camada congrega um conjunto relacionado e coerente de funções, de modo a minimizar as interacções com as camadas adjacentes. As funções de uma dada camada são implementadas por entidades da camada. Uma entidade é uma abstracção de um ou mais processos num sistema computacional. Camadas e serviços numa arquitectura estratificada Encapsulamento e desencapsulamento da informação Camada N+1 Serviço N Dados da camada N Camada N Serviço N-1 Informação de controlo da camada N Unidade protocolar de dados da camada N (N- PDU) Camada N-1 Fig. 2. Camadas e serviços numa arquitectura estratificada. É também ilustrado o processo de encapsulamento e desencapsulamento de informação. Tecnologias da Internet (2010/2011) 23

7 Uma camada fornece um conjunto de serviços à camada imediatamente superior. Uma camada genérica N acrescenta valor aos serviços da camada N-1, através da implementação de funções da camada N. A figura 2 ilustra o conceito de serviço de camada. A interacção entre um utilizador do serviço N (ou seja, uma entidade da camada N+1) e o fornecedor do serviço N ((N)-service provider) é feita através de um ponto de acesso ao serviço N ((N)-SAP, N service access point), podendo ser vista como uma série de interacções básicas designadas por primitivas. Essa interacção é ilustrada na Figura 3. Utilizador A Utilizador B Primitivas de serviço Pontos de acesso ao serviço N Camada N+1 Fornecedor de Serviço N Camada N Entidades da camada N Fig. 3. Utilizadores e fornecedores de um serviço. A definição de um serviço de camada inclui os parâmetros associados a cada primitiva de serviço, a sequência possível de primitivas num ponto de acesso ao serviço, os serviços elementares que compõem o serviço de camada e a qualidade de serviço fornecida pela camada. Protocolos As entidades de uma dada camada N, de um dado sistema, comunicam com entidades da mesma camada em sistemas remotos usando um protocolo de nível N. Um protocolo de nível N consiste num conjunto de regras que governam a Tecnologias da Internet (2010/2011) 24

8 comunicação entre entidades da camada N residentes em sistemas distintos (ver Figura 4). Tanto os serviços como os protocolos levam à troca de unidades de dados entre entidades. As entidades homólogas de sistemas distintos trocam unidades protocolares de dados (PDUs - Protocol Data Units), usando determinados protocolos. As entidades de camadas adjacentes dentro de um mesmo sistema trocam unidades de dados usando os pontos de acesso ao serviço. Estas últimas unidades são designadas por unidades de serviço de dados (SDUs - Service Data Units). Atendendo a que dentro de um sistema, a progressão da informação, entre camadas adjacentes, é feita na vertical, as PDUs de uma dada camada N+1 são passadas através das SDUs da camada N, para esta camada. Na camada N é adicionada informação específica da camada, designada por informação de controlo do protocolo N (N-PCI: (N) Protocol Control Information), a qual, em conjunto com a informação relevante da N-SDU, irá constituir a unidade protocolar da camada N. Este processo encontra-se representado na Figura 5. Desta forma, as unidades de dados de uma camada são encapsuladas dentro de unidades de dados da camada inferior tornando-as invisíveis às entidades desta camada. Este é um conceito fundamental em todas as arquitecturas de comunicação estratificadas, que está na base da independância entre camadas, permitindo diferentes níveis de abstracção no tratamento da informação que flui dentro do sistema. Comunicação entre entidades de sistemas distintos Sistema A Utilizador do Serviço N Sistema B Utilizador do Serviço N Camada N+1 Serviço N Entidade N Protocolo N Entidade N Camada N Fig. 4. Comunicação entre entidades de sistemas distintos. Tecnologias da Internet (2010/2011) 25

9 (N+1)-PDU Camada N+1 Serviço N (N)-SDU (N)-PCI Camada N (N)-PDU PDU - Unidade Protocolar de Dados SDU - Unidadede Serviço de Dados PCI - Informação de Controlo do Protocolo Fig. 5. Unidades de dados em camadas adjacentes do mesmo sistema. GOSIPs (Government OSI Profiles) O Modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection) da ISO (International standards Organization) resultou de um projecto conduzido pela ISO durante as décadas de 70 e de 80. Até 1994, os governos dos EUA e do UK impuseram perfis OSI (GOSIPs) na aquisição de equipamento informático para instituições públicas. Era permitida a existência opcional da arquitectura TCP/IP. A maioria das instituições públicas usava apenas o TCP/IP. Em 1994, a situação inverteu-se, passando os GOSIPs a impor a arquitectura TCP/IP, deixando a arquitectura OSI como opção. A arquitectura TCP/IP passou a ser considerada como a arquitectura de referência de facto. O Modelo OSI da ISO passou a ser considerado como norma de jure. Tecnologias da Internet (2010/2011) 26

10 A Internet e a Arquitectura TCP/IP TCP/IP é a abreviatura de Transmission Control Protocol / Internet Protocol, dois dos protocolos da arquitectura patrocinada pelo Departamento de Defesa dos EUA. A arquitectura TCP/IP obedece aos princípios do Modelo OSI da ISO. Trata-se de uma arquitectura com quatro camadas (ou níveis). Aplicação Ping Telnet FTP SMTP Trace route DNS SNMP NFS Transporte TCP UDP Rede ICMP IP IGMP Acesso à Rede ARP Ligação de dados RARP Meio Físico Fig. 6. Posicionamento de vários protocolos na arquitectura TCP/IP. Nível de interface com o meio físico (ou Nível de acesso à rede ou Nível de ligação lógica) Nível de acesso à rede física. Este nível contém as funcionalidades (em hardware ou software) da rede que suporta a arquitectura. Alguns protocolos de Interface com o meio físico: Ethernet, CSMA/CD, FDDI, X.25, Token Ring, Token Bus. ARP (Address Resolution Protocol): mapeia endereços IP em endereços Ethernet. RARP (Reverse ARP). Tecnologias da Internet (2010/2011) 27

11 Nível de rede Neste nível estão alujados quatro protocolos dos quais o IP é o mais importante. As funções destes protocolos estão relacionadas com a gestão das comunicações na Internet. IP (Internet Protocol): entrega de mensagens extremo a extremo em modo datagrama. ICMP (Internet Control Message Protocol): usado para informar os equipamentos ligados à rede de condições relativas aos serviços IP. IGMP (Internet Group Management Protocol): protocolo de gestão de grupos Internet. Nível de transporte Neste nível estão alojados três protocolos (TCP, UDP e NVP). O NVP está em desuso. TCP (Transmission Control Protocol): protocolo de transferência fiável, baseado em ligações (connection oriented). UDP (User Datagram Protocol): protocolo de transferência não baseado em ligações. NVP (Network Voice Protocol): protocolo para transmissão de voz digitalizada em tempo real (em desuso). Nível de aplicação No nível de aplicação estão contidas as aplicações dos utilizadores e os serviços fornecidos pela internet. Os mais importantes protocolos deste nível (por exemplo: SMTP, DNS, FTP, TELNET) serão abordados no capítulo 3. Tecnologias da Internet (2010/2011) 28

12 O que é a Internet? A Internet é uma rede de interligação de redes, presentemente é a maior rede informática existente, interligando máquinas e redes à escala planetária, fornecendo acesso a repositórios de informação e a uma enorme variedade de serviços nas mais diversas áreas de actividade. Definição de Internet A 24 de Outubro de 1995, o FNC (Federal Networking Council) aprovou, por unanimidade, a seguinte resolução sobre a definição do termo Internet. RESOLUTION: The Federal Networking Council (FNC) agrees that the following language reflects our definition of the term Internet. Internet refers to the global information system that -- i) is logically linked together by a global unique address space based on the Internet Protocol (IP) or its subsequent extentions/follows-ons; ii) is able to support communications using the Transmission Control Protocol / Internet Protocol (TCP/IP) suite or its subsequent extentions/follow-ons, and/or other IP-compatible protocols, and iii) provides, uses or makes accessible, either publicly or privately, high level services layered on the communications and related infrastructure described herein. Bibliografia base Edmundo Monteiro e Fernando Boavida, Engenharia de Redes Informáticas, FCA Editora de Informática, 10ª Edição, B. M. Leiner, V. G. Cerf, D. D. Clark, R. E. Kahn, L. Kleinrock, D. C. Lynch, J. Postel, L. G. Roberts, and S. Wolff, A Brief History of the Internet, Internet Society (ISOC). Available for ISOC members at the URL: Tecnologias da Internet (2010/2011) 29