Curso de Pós-Graduação Lato-Sensu em Redes de Computadores. Arquitetura TCP/IP. Hermes Senger DC/UFSCar 2012

Transcrição

1 Curso de Pós-Graduação Lato-Sensu em Redes de Computadores Arquitetura TCP/IP Hermes Senger DC/UFSCar 2012

2 Nota: Notas de aula do prof. Hélio Crestana Guardia.

3 Objetivos do Curso: Apresentar a arquitetura dos protocolos da Internet, descrevendo sua estrutura e operação Estudar o mecanismo de endereçamento e o encaminhamento de pacotes Apresentar os principais protocolos de aplicação e questões relacionadas à implementação de aplicações baseadas no modelo cliente X servidor 3

4 Ementa: Introdução Arquitetura TCP/IP A camada de rede O Protocolo IP Endereçamento e Roteamento Protocolos de controle A camada de transporte: TCP e UDP Aplicações de Rede Comunicação entre processos 4

5 Bibliografia Kurose, J. F. and Ross, K. W. Redes de computadores e a Internet: Uma abordagem top-down. Pearson Addison Wesley, Tanenbaum, A. S. Redes de Computadores. Tradução da quarta edição. Campus, Comer, D. E. Internetworking with TCP/IP, 5th ed. Prentice Hall, Comer, D. E. Interligação de redes com TCP/IP, tradução da 5a edição. Campus, Stevens, W. R. TCP/IP Illustrated: The Protocols. Addison Wesley, Stevens, W. R. UNIX Network Programming: Interprocess Communications. 2nd ed. Prentice Hall, Stevens, W. R. UNIX Network Programming - Networking APIs: Sockets and XTI, 2nd ed. Prentice Hall,

6 Transmissão de Dados Objetivo das redes: Viabilizar a transmissão de dados: acesso a informações ou recursos remotos Tipos de redes: PAN, LAN, MAN, WAN, BAN (body area )... Meios físicos: Ponto-a-ponto ou multiponto (redes locais) UTP, atmosfera, fibras-ópticas,... O que flui numa rede? Sinais eletromagnéticos que representam bits Campos -> estruturas ->... 6

7 Introdução Comunicação de dados tornou-se fundamental em computação, para todos os tipos de aplicações Tecnologias de interconexão física possibilitaram interligar computadores em ambientes de diferentes dispersões geográficas: LANs, MANs e WANs Protocolos de comunicação possibilitaram interligar diferentes LANs, MANs e WANs, formando Interligações de Rede (internet) e Redes Corporativas Tecnologia de interconexão física padronizada e software aberto permitem a comunicação entre computadores com hardware e Sistemas Operacionais distintos e independentemente de suas localizações físicas Redes interligadas podem ser tratadas de maneira independente ou como uma estrutura única 7

8 TCP/IP: Histórico A Brief History of the Internet Desenvolvimento iniciou-se nos anos 70 como projeto de pesquisa financiado por agência do governo Norte-Americano (DARPA) Protocolos desenvolvidos inicialmente para comunicação ponto-a-ponto foram estendidos para suportar a interligação de redes Esforços resultaram num conjunto padronizado de protocolos não proprietários para comunicação entre computadores em rede, bem como para a interligação de redes e roteamento de pacotes entre elas Primeiros módulos TCP/IP foram instalados em 1980 em computadores de rede ARPANET, tornando-se pré-requisitos para as máquinas interligadas a esta rede Implementações dos protocolos foram logo desenvolvidas por fabricantes de diversos SOs e incorporadas ao sistema Unix. Recursos comuns ao sistema Unix foram estendidos para operação em rede, ampliando o interesse nos protocolos Disponibilidade de produtos atinge praticamente todos os sistemas operacionais atualmente 8

9 TCP/IP: Aspectos Protocolos e endereçamento permitem a utilização de TCP/IP desde em redes locais até em interligações de redes de longa distância Tornou-se padrão de mercado para interligação de redes e também para redes locais heterogêneas e corporativas Interligação da ARPANET a outras redes de longa distância e locais deu origem à INTERNET, que usa TCP/IP IAB (Internet Architecture Board coordena o desenvolvimento dos protocolos, que primam pela simplicidade e funcionalidade Desenvolvimento dos protocolos é realizado por voluntários em Forças Tarefas (Task Forces coordenadas pelo IAB Protocolos não são proprietários e suas especificações podem ser obtidas livremente a partir repositórios na Internet Documentações, propostas para novos protocolos ou revisões daqueles existentes são denominados Requests For Comments (RFCs 9

10 TCP/IP: Arquitetura TCP/IP permite a comunicação entre computadores de todos os tamanhos, de diferentes fabricantes e com sistemas operacionais totalmente diferentes Embora o termo TCP/IP seja uma referência apenas a 2 protocolos, a sigla é usada para designar todo o conjunto de protocolos da Internet Assim como outros protocolos de rede, TCP/IP é organizado em camadas, cada uma responsável por um aspecto diferente na comunicação Implementação não considera a padronização da sub-rede de comunicação, bastando que seja implementada a interface da camada de Rede para a sub-rede disponível Arquitetura TCP/IP é organizada em 4 camadas: 10

11 TCP/IP: Modelo em Camadas HTTP FTP SMTP DNS SNMP Aplicação usuário Aplicação usuário Aplicações TCP UDP Transporte IP, ICMP, IGMP Controladores de dispositivos e interfaces de rede Rede Enlace 11

12 Camada de Enlace Camada de Enlace inclui o controlador de dispositivo no sistema operacional e o adaptador de rede apropriado. Trata dos detalhes do hardware de comunicação, incluindo a conexão física com o cabeamento apropriado Não é padronizada Quaisquer tecnologias podem ser utilizadas para a interligação física dos elementos da rede, bastando que sejam desenvolvidas interfaces de comunicação IP com cada uma delas Exemplos de sub-redes suportadas: Ethernet, Wi-Fi, Token Ring, FDDI, ATM, Frame Relay, X.25, PPP e SLIP. 12

13 Camada de Rede Também chamada camada Internet, trata da manipulação de pacotes através da rede, incluindo os seus roteamentos É composta pelo IP (Internet Protocol), ICMP (Internet Control Message Protocol) e IGMP (Internet Group Management Protocol) IP: realiza a transmissão de pacotes com dados da camada de transporte (TCP e UDP) desde a origem até o destino, através de uma ou mais redes. Provê o envio de datagramas sem confirmação e sem conexão. Pacotes contêm informações necessárias para encaminhamento entre redes ICMP: protocolo para transmissão de mensagens de controle e de erro entre a camada de rede na origem e no destino ou em nós intermediários (roteadores) IGMP: Trata da manutenção de grupos para comunicação multicast 13

14 Camada de Transporte Provê o fluxo de dados entre estações para as aplicações. É composta pelo TCP (Transmission Control Protocol) e pelo UDP (User Datagram Protocol) TCP provê uma comunicação confiável, tratando do particionamento dos dados a transmitir, da confirmação dos dados recebidos e de mecanismos para retransmissões em casos de falha UDP oferece um serviço de entrega de datagramas sem garantias de recebimento, que podem ser providas pela aplicação, quando necessário 14

15 Camada de Aplicação Trata de aspectos de cada aplicação que utiliza a rede Não existem elementos comuns para o desenvolvimento de aplicações, que são implementadas imediatamente acima da camada de transporte Aplicações que desejam fazer acesso à rede utilizam a estrutura socket, que cria uma porta de comunicação Dados escritos nos sockets na máquina origem são encapsulados pelo TCP ou pelo UDP para transmissão até o socket na máquina remota Números de portas (ports) são associados aos sockets e permitem endereçar aplicações Um mecanismo de Chamada de Procedimentos Remotos (RPC - Remote Procedure Call) e outro para resolver problemas de representação de dados (XDR - external Data Representation) podem ser utilizados para o desenvolvimento de aplicações SSL / TLS oferecem uma camada de criptografia e autenticação que pode ser usada sobre conexões TCP 15

16 Arquitetura OSI Processo A Processo B Aplicação Interface de serviços Apresentação Interface de serviços Sessão Protocolo de Aplicação Protocolo de Apresentação Protocolo de Sessão Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Protocolo de Transporte Sub-rede Prot Rede 3 Prot Rede Transporte Rede Enlace de Dados Prot. Enlace 2 Prot. Enlace Enlace de Dados Física Prot. Físico 1 Prot.Físico Física Host A Intermediário (roteador) Host B 16

17 Arquitetura OSI O nível Físico providencia as características funcionais e os procedimentos para transmissão de bits através do meio físico O nível de Enlace de Dados controla a transferência de informação através do meio físico, inserindo as informações a transmitir e retirando as informações recebidas O nível de Rede cuida do endereçamento lógico das estações na rede e controla a transferência de informações entre equipamentos origem e destino, mesmo passando por computadores intermediários A integridade dos dados na transferência fim-a-fim é assegurada pelo nível de Transporte, que garante que as informações transmitidas serão recebidas, mesmo que estas tenham que ser retransmitidas. O nível de Sessão fornece os meios necessários para organizar e sincronizar o diálogo entre dois processos de aplicação. Encarregado de fornecer conversões de formato ou códigos, o nível de Apresentação faz com que seja preservado o conteúdo da informação, resolvendo problemas de sintaxe e armazenamento local dos dados entre os sistemas comunicantes O nível de Aplicação implementa os programas para os usuários da rede 17

18 Arquiteturas de Redes Aplicação OSI Nível 5 Telnet FTP DNS SNMP VLM Transporte OSI Nível 4 TCP UDP SPX Rede OSI Nível 3 ICMP IP ICMP IPX ARP RARP Enlace Token-Ring Ethernet ATM FDDI X.25 Física Par trançado Cabo coaxial fino Cabo coaxial grosso Fibra óptica 18

19 Arquitetura TCP/IP Aplicação Processo de usuário Processo de usuário Processo de usuário Processo de usuário Transporte TCP UDP Rede ICMP IP IGMP Enlace ARP Interface de rede RARP 19

20 Encapsulamento de Dados Dados do usuário Cabeçalho Ethernet 14 Cabeçalho IP Cabeçalho IP Cabeçalho TCP Cabeçalho TCP Cabeçalho TCP Datagrama IP Dados da aplicação Trailer Ethernet Quadro Ethernet 46 a 1500 bytes Cabeçalho Aplicação Dados da aplicação Segmento TCP Dados da aplicação Dados do usuário Aplicação TCP IP Sub-rede Driver Eth 20

21 Demultiplexação Aplicação Aplicação Aplicação Aplicação ICMP ARP IGMP IP Controlador Ethernet TCP RARP UDP Demultiplexação baseada no número de porta destino no cabeçalho TCP Demultiplexação baseada no identificador do protocolo no cabeçalho IP Demultiplexação baseada no tipo do quadro Ethernet Quadro recebido 21

22 Demultiplexação Aplicação Aplicação Aplicação Aplicação ICMP ARP IGMP IP Controlador Ethernet TCP RARP UDP Demultiplexação baseada no número de porta destino no cabeçalho UDP Demultiplexação baseada no identificador do protocolo no cabeçalho IP Demultiplexação baseada no tipo do quadro Ethernet Quadro recebido 22

23 Demultiplexação Aplicação Aplicação Aplicação Aplicação ICMP ARP IGMP IP Controlador Ethernet TCP RARP UDP Demultiplexação baseada no identificador do protocolo no cabeçalho IP Demultiplexação baseada no tipo do quadro Ethernet Quadro recebido 23

24 Endereçamento O endereçamento na arquitetura TCP/IP é definido em 3 níveis: Endereço Físico: camada de Enlace MAC Endereçamento de Rede: IP Endereçamento de Transporte/aplicação: Portas TCP / UDP 24

25 Modelo Cliente X Servidor Aplicações para a arquitetura TCP/IP consideram um lado da aplicação como cliente e o outro como servidor Servidores oferecem serviços para os clientes, que emitem requisições através da rede Servidores podem ser interativos ou concorrentes A interface de programação (API) para aplicações que utilizam a rede é baseada em funções para criação e manipulação de sockets, bem como para a transmissão de dados através desses sockets, usando TCP ou UDP 25