REDES DE COMPUTADORES E A CAMADA FÍSICA

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2 CENTRO FEDERAL DE ENSINO TECNOLÓGICO DE SANTA CATARINA UNIDADE DE SÃO JOSÉ NUCLEO DE TELECOMUNICAÇÕES REDES DE COMPUTADORES E A CAMADA FÍSICA MÓDULO 2 CAPÍTULO 6 Redes de Computadores Prof. Jorge H. B. Casagrande SETEMBRO 2008

3 SUMÁRIO 6 REDES DE COMPUTADORES Introdução Classificação As Redes Locais Conceito Exemplos de Serviços Disponíveis Tecnologias da camada de enlace e o modelo OSI para redes locais Sistemas Operacionais de Rede Os roteadores Características de um Roteador Dispositivos da camada Endereços da camada Números de rede exclusivos Porta/interface do roteador Protocolos Roteáveis Protocolos Roteados Outros protocolos roteados Protocolos roteáveis e não roteáveis Características de um protocolo roteável Protocolos de roteamento Exemplos de protocolos de roteamento Definição de protocolo de roteamento Seqüência de encapsulamento de roteamento Roteamento multiprotocolo Outros serviços da camada de rede Serviços de rede sem conexão Serviços de rede orientados para conexão Comparando processos de rede não conectados e orientados para conexão O IP e a camada de transporte Tabelas ARP Dispositivos de internetworking que têm tabelas ARP Comparando tabelas ARP de roteadores com tabelas ARP mantidas por outros dispositivos de rede Outros endereços de tabelas de roteadores Solicitações e pedidos ARP Proxy ARP Roteamento indireto Interior Gateway Protocol (IGP) e Exterior Gateway Protocol (EGP) Protocolos roteados e de roteamento IGPs e EGPs Como os roteadores reconhecem as redes Exemplos de roteamentos estáticos Exemplo de roteamento dinâmico Como os roteadores usam o RIP para rotear dados através de uma rede Como especificar um Router

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6 6 REDES DE COMPUTADORES 6.1 Introdução O objetivo deste capítulo é contextualizar o estudo de redes de computadores dentro das várias definições, modelos, conceitos e nomenclaturas técnicas na área das telecomunicações. De modo informal podemos conceituar uma rede como um conjunto de computadores (e equipamentos associados) interligados por meios de transmissão e com suporte informático adequado para garantir a troca de informação entre eles. A rede deve possibilitar a execução de serviços diversos do tipo: consulta a base de dados, correio eletrônico, serviços de arquivo e impressão etc. Uma rede permite otimizar o uso de recursos bem como garantir a integração de várias partes de um sistema. O termo rede é no entanto empregado em um contexto ainda mais geral: o sistema de comunicação entre terminais e um computador central também é chamado de rede. O suporte de comunicação de dados fornecido pelas concessionárias telefônicas também se constitui em uma rede. Diversas outras estruturas são também assim denominadas. O item a seguir é uma tentativa de classificar este grande universo das comunicações Classificação A princípio qualquer sistema que visa a comunicação, seja de voz, dados ou imagem pertence ao domínio das telecomunicações. Entretanto, como a criação do computador é mais recente e considerando-se que o estudo dos computadores se tornou uma ciência a parte, pode-se inicialmente focalizar as redes sob dois diferentes grupos: REDES INFORMÁTICAS: Constituem-se em redes de computadores que visam inicialmente a troca de dados (e já na atualidade voz e imagem) e que podem ser classificadas em (veja a figura a seguir): REDES LOCAIS Local Área Networks - LAN REDES METROPOLITANAS Metropolitan Área Networks - MAN REDES DE GRANDE DISTÂNCIA Wide Área Networks - WAN REDES DE TELECOMUNICAÇÃO: REDES DE TV A CABO REDES DE RADIODIFUSÃO REDES DE TELEFONIA (incluindo a móvel) REDES DETERMINÍSTICAS DE COMUNICAÇÃO DE DADOS Na realidade as redes de computadores fazem uso da estrutura das redes de telecomunicações para que os dispositivos computacionais possam ser interligados. 2

7 Por exemplo, dois computadores podem ser interligados por um canal de voz da rede telefônica comutada. A natureza da informação que deve ser transmitida distingue claramente o tipo de rede. Uma rede telefônica foi feita para a transmissão de voz. A transmissão de voz necessita de características especiais de transmissão tais como: tempo de resposta extremamente curto e garantia de velocidade constante de transmissão. Erros de transmissão podem ser tolerados. Já a transmissão de dados não necessita de velocidade constante de transmissão e normalmente os tempos de resposta podem ser flexíveis, mas relativamente intolerantes à erros. Com o avanço da tecnologia de redes, especialmente no que diz respeito a comunicação em alta velocidade somada as novas demandas de velocidade das aplicações multimídia faz com que a tendência atual e futura seja o aparecimento das redes integradas, visando através de uma única rede de telecomunicação permitir a transmissão de voz - incluindo o serviço normal de telefonia, dados e imagem (estática e dinâmica). É o que atualmente tem sido chamado de REDES CONVERGENTES e neste campo várias opções estão surgindo. As concessionárias de telefonia iniciaram o uso destas redes estreando as redes de serviço integrado de banda estreita - RDSI ( ISDN ) visando integrar a voz e comunicação de dados. Atualmente, redes para os diversos propósitos como ATM, FRAME RELAY, X.25, IP, MPLS, FDDI, estão sendo amplamente utilizadas juntas ou isoladamente para o acesso e transporte de voz e dados. Em especial, tecnologias de uso de transporte de pacotes extremamente pequenos como a ATM já permite em adição a formação de redes de banda larga integrando todos os tipos de serviços e redes. Finalmente, a 3

8 própria rede de TV a cabo ou satélites, também já tem sido utilizados para fornecimento de serviços integrados. 6.2 As Redes Locais Conceito Uma rede local consiste em uma rede de computadores e equipamentos acessórios localizada em uma região geograficamente pequena normalmente no raio de algumas centenas de metros. A rede local normalmente se aplica a uma instituição ou empresa. Devido a natureza dos serviços envolvidos na rede, os requisitos de velocidade normalmente são maiores exigindo taxas iguais ou superiores a 10Mbps Exemplos de Serviços Disponíveis Os serviços a serem fornecidos por uma rede local são normalmente: sistema de arquivo e impressão em rede: um usuário pode acessar os seus arquivos de qualquer estação de trabalho da rede. Um ou mais servidores de arquivos permitem o controle do sistema de arquivos (modelo cliente-servidor). Um servidor de impressão recebe pedidos de impressão e controla uma fila (spool) de impressão. Aplicativos do tipo processadores de texto, compiladores etc também podem ficar armazenados no servidor; correio eletrônico: os usuários da rede podem trocar mensagens eletrônicas que serão armazenadas por um servidor de correio eletrônico. gerenciamento de contas : cada usuário pode ter uma conta com senha para validação do log-in. O sistema somente permite entrar em uma estação de trabalho caso a conta do usuário seja devidamente validada. serviços de back-up: o usuário não se preocupa com salvamento de arquivos em disquetes. O próprio sistema (gerenciado por um administrador) realiza o back-up do usuário. acesso a redes externas : a rede local deve normalmente permitir o acesso ao mundo externo seja para uma rede específica seja para a rede mundial internet. A realização destes serviços aliadas aos aspectos de confiabilidade do sistema (se uma estação falhar o sistema continua funcionado) faz com que as redes locais de computadores estejam cada vez mais sendo utilizadas no mercado e na indústria Tecnologias da camada de enlace e o modelo OSI para redes locais Várias opções em termos de tecnologia a nível de camada física e de enlace (do modelo OSI) estão disponíveis para uso em redes locais. As duas tecnologias mais utilizadas são: ethernet: acesso com controle distribuído a um barramento (meio físico único); 4

9 token-ring: topologia em anel com passagem de ficha. A estação que possui a ficha possuem também os direitos de enviar dados para as demais estações; Como o mercado hoje no Brasil é dominado pela ethernet, este padrão será estudado com mais detalhe Sistemas Operacionais de Rede No item anterior foram referenciadas as tecnologias utilizadas nas camadas física e de enlace. Estas camadas normalmente passam completamente despercebidas (a não ser por desempenho) pelo usuário pois se encontram parte ao longo da instalação física e em parte nas placas (cartões) de rede que são colocadas no barramento ( slots ) do computador. Entretanto, para o usuário são mais evidentes as camadas superiores em especial a camada de aplicação por onde o usuário terá os acessos aos serviços da rede. No que diz respeito a estas arquiteturas podemos destacar 3 sistemas básicos centrados em sistemas operacionais: UNIX: com as camadas de transporte e de rede (não compatíveis com o OSI.) formadas pelos protocolos TCP/IP (a base da internet); NOVEL/NETWARE com as camadas IPX/SPX; Windows 95/98 e Windows NT com os protocolos NETBEUI - estes sistemas permitem a convivência de múltiplos protocolos tais como: TCP/IP e IPX/SPX; 6.3 Os roteadores Se nosso interesse é conectar diferentes redes entre si, esse papel recai para o equipamento de rede chamado de roteador (router). Uma nova camada do modelo OSI passa a desempenhar suas atribuições para este fim: A camada 3. Existem vários problemas relacionados com a comunicação entre redes ou sub-redes (internetworking), entre estes pode-se citar os seguintes: Elas podem utilizar pacotes de protocolo (PDUs) de tamanho e formato diferentes. Neste caso a interligação de redes pode exigir a segmentação (ou fragmentação) e remontagem de pacotes. Esta operação deve manter a seqüência exata dos dados; As temporizações e o número de tentativas de uma rede podem ser diferentes ou mesmo não existir de uma para outra; Elas podem fornecer diferentes tipos, níveis e qualidade de serviços. Por exemplo, uma sub-rede pode suportar tarifação reversa enquanto a outra não suporta, ou ainda, colocando-se na forma de questão: como os custos serão alocados entre as redes? Elas podem se utilizar de diferentes convenções de endereçamento; Elas podem ter um desempenho muito maior do que a outra; Elas podem apresentar diferentes abordagens ou métodos para realização de roteamento; 5

10 Elas podem requerer diferentes níveis de segurança. Por exemplo, uma sub-rede pode necessitar de dados criptografados enquanto outra não necessita; A forma de gerenciar, manter e diagnosticar problemas em uma rede pode ser acentuadamente diferente de uma para a outra. Além disto uma rede ou sub-rede pode vir a causar problemas para detecção e correção de erros na outra rede ou sub-rede. O processo de interconexão entre redes ou sub-redes de arquiteturas bastante diferentes entre si pode ser uma tarefa bastante complexa. Em particular esta consideração é aplicável a uma conexão de uma rede local com uma rede de grande distância. Em redes de grande distância existe na maior parte das vezes somente endereços de camada de rede. Os roteadores tem o papel de transladar estes endereços, transladar formato de pacotes e encaminhá-los da melhor forma possível por uma das diversas rotas possíveis. Os roteadores possuem um software mais elaborado que as pontes, tirando proveito dos caminhos múltiplos existentes em uma rede complexa. Em geral, o roteador é um equipamento dedicado específico ou mesmo uma estação particular na rede. Ele é conectado a múltiplas sub-redes sendo que estas podem utilizar esquemas de endereçamentos diferentes. Para cada porta do roteador existirá um endereçamento correspondente. Desta forma o roteador viabiliza a formação de sub-redes em uma rede maior. Deve-se notar que o roteador é um equipamento ativo no sentido que possui endereços e é portanto endereçável na rede, ao contrário do que ocorre nas pontes. No mundo da Internet, os roteadores são chamados de gateways. Entretanto, gateway possui um outro conceito no mundo do modelo OSI/ISO. A terminologia adotada será então sempre roteador para estes dispositivos. O termo Intermediate System (IS) está também associado a um sistema roteador no modelo OSI. 6

11 Aplication Aplication Presentation Presentation Session Session Transport transport Network Network Network Network Data Link Data Link Data Link Data LInk Physical Physical Physical Physical Os Roteadores no Modelo OSI R R R Exemplo de interligação de redes com roteadores Características de um Roteador Um roteador recebe pacotes que lhe são endereçados por estações ou por um outro roteador. Em função do endereço de destino e das informações contidas em uma tabela de roteamento, o roteador determina a próxima sub-rede sobre a qual ele deve retransmitir o pacote. O processo de roteamento como um todo baseia-se no salto do pacote de roteador em roteador, onde caminhos alternativos ou redundantes podem existir. As decisões de roteamento são tomadas por um algoritmo que normalmente permite conduzir o pacote pelo caminho mais curto possível. Os seguintes parâmetros são universalmente aceitos para a realização do roteamento: número dos saltos efetuados na trajetória do pacote (hops) (ou o número de IS atravessados ao longo do caminho); custo do caminho, determinado pela soma dos diversos segmentos (linhas) atravessados pelo pacote. 7

12 Normalmente se requer de um roteador as seguintes características: Simplicidade do algoritmo de roteamento, tendo em vista limitações de memória e de CPU; Robustez e adaptabilidade as variações de topologia do sistema; Otimização na escolha dos caminhos determinados pelo algoritmo de roteamento; Estabilidade no sentido de não variar a todo o momento as decisões de roteamento, a não ser por motivos de variações de topologia; Tratamento igual aos nós, não privilegiando alguns nós sobre outros. Os algoritmos de roteamento podem ser classificados em estáticos e dinâmicos. Os estáticos (determinísticos) possuem um critério fixo de roteamento e necessitam da intervenção do gerente de rede para atualizar as tabelas de roteamento quando da mudança de topologia ou no caso de falhas em nós do sistema. Os algoritmos dinâmicos permitem que a tabela de roteamento seja modificada de forma adaptativa e automática a mudanças de toplogias ou do estado de links do sistema. Veremos mais adiante estes detalhes. Visão geral Roteador é um tipo de dispositivo de internetworking que transporta os pacotes de dados entre as redes, com base nos endereços da camada 3. Um roteador tem a habilidade de tomar decisões inteligentes no que se refere ao melhor caminho para a entrega de dados na rede. Além disso, os dispositivos de rede local (LANs) usam o Address Resolution Protocol (ARP) antes de encaminhar dados a um destino. É necessário conhecer o que ocorre quando um dispositivo em uma rede não conhece o endereço MAC de um dispositivo em outra rede. Protocolo como o Reverse Address Resolution Protocol (RARP) é usado por um dispositivo quando este não conhece o seu próprio endereço IP. Importante também entender a diferença entre roteamento e protocolos roteados e como os roteadores rastreiam a distância entre os lugares através de algoritmos como o vetor de distância (distance vector), link state, abordagens de roteamento híbrido e como cada um resolve problemas comuns de roteamento. 6.4 Dispositivos da camada 3 Em rede, existem dois esquemas de endereçamento: um usa o endereço MAC, um endereço de enlace de dados (camada 2); o outro usa um endereço localizado na camada de rede (camada 3) do modelo OSI. Um exemplo de um endereço da camada 3 é o endereço IP. Roteador é um tipo de dispositivo de internetworking que transporta os pacotes de dados entre as redes, com base nos endereços da camada 3. Um roteador tem a habilidade de tomar decisões inteligentes no que se refere ao melhor caminho para a entrega de dados na rede. 8

13 6.4.1 Endereços da camada 3 As bridges e os switches usam endereços MAC ou físicos para tomar decisões de encaminhamento de dados. Os roteadores usam um esquema de endereçamento da camada 3 para tomar decisões de encaminhamento. Eles usam endereços IP, ou endereços lógicos, ao invés de endereços MAC. Como os endereços IP são implementados no software e consultam a rede onde um dispositivo está localizado, às vezes esses endereços da camada 3 são chamados endereços de protocolo ou endereços de rede. Os endereços MAC, ou endereços físicos, são normalmente atribuídos pelo fabricante da placa de rede e são codificados na placa de rede. O administrador de rede normalmente atribui endereços IP. Na verdade, não é incomum para um administrador de rede agrupar dispositivos, no esquema de endereçamento IP, de acordo com a localização geográfica, com o departamento ou com o andar em um prédio. Como são implementados no software, os endereços IP são bastante fáceis de alterar. Finalmente, as bridges e os switches são usados principalmente para conectar segmentos de uma rede. Os roteadores são usados para conectar redes separadas e para acessar a Internet mundial. Eles fazem isso fornecendo roteamento ponto a ponto Números de rede exclusivos 9

14 Os roteadores conectam duas ou mais redes, cada uma devendo ter um número de rede exclusivo para que o roteamento tenha êxito. O número de rede exclusivo é incorporado ao endereço IP que é atribuído a cada dispositivo conectado a essa rede. Exemplo: Uma rede tem um número de rede exclusivo A e quatro dispositivos conectados a ela. Os endereços IP dos dispositivos são A2, A3, A4 e A5. Como a interface onde o roteador se conecta a uma rede é considerada parte dessa rede, a interface onde o roteador se conecta à rede A tem um endereço IP A1. Exemplo: Outra rede com um número de rede exclusivo B tem quatro dispositivos conectados a ela. Essa rede também se conecta ao mesmo roteador, mas em uma interface diferente. Os endereços IP dos dispositivos dessa segunda rede são B2, B3, B4 e B5. O endereço IP da segunda interface do roteador é B1. 10

15 Exemplo: Você deseja enviar dados de uma rede para outra. A rede de origem é A; a rede de destino é B; e um roteador está conectado às redes A, B, C e D. Quando os dados (quadros) que vêm da rede A alcançarem o roteador, este executará as seguintes funções: 1. Retira o cabeçalho de enlace de dados, transportado pelo quadro. (O cabeçalho de enlace de dados contém os endereços MAC da origem e do destino.) 2. Examina o endereço da camada de rede para determinar a rede de destino. 3. Consulta suas tabelas de roteamento para determinar qual das interfaces será usada para enviar os dados, de forma que alcance a rede de destino. No exemplo, o roteador determina se deve enviar os dados da rede A para a rede B, a partir da sua interface, com endereço B1. Antes de realmente enviar os dados para a interface B1, o roteador encapsularia-os no quadro de enlace de dados apropriado Porta/interface do roteador Uma conexão de roteador com uma rede é chamada interface; também é conhecida como porta. No roteamento IP, cada interface deve ter um endereço de rede (ou de sub-rede) separado e exclusivo. 11

16 6.5 Protocolos Roteáveis Protocolos Roteados O IP é um protocolo da camada de rede e, devido a isso, pode ser roteado por uma internetwork, que é uma rede de redes. Os protocolos que fornecem suporte à camada de rede são chamados protocolos roteados ou roteáveis Outros protocolos roteados O foco deste curso é no protocolo roteável mais comumente usado, que é o IP. Embora você vá se concentrar no IP, é importante saber que há outros protocolos roteáveis. Dois deles são o IPX/SPX e o AppleTalk. 12

17 6.5.3 Protocolos roteáveis e não roteáveis Protocolos como o IP, o IPX/SPX e o AppleTalk fornecem suporte da camada 3 e são, portanto, roteáveis. Entretanto, há protocolos que não suportam a camada 3; esses são classificados como não roteáveis. O mais comum desses protocolos não roteáveis é o NetBEUI. O NetBEUI é um protocolo pequeno, rápido e eficiente, cuja execução limita-se a um segmento Características de um protocolo roteável Para um protocolo ser roteável, ele deve propiciar a habilidade de atribuir um número de rede, assim como um número de host, a cada dispositivo individual. Alguns protocolos, como o IPX, somente requerem que você atribua um número de rede; eles usam um endereço MAC de host para o número físico. Outros protocolos, como o IP, requerem que você forneça um endereço completo, assim como uma máscara de subrede. O endereço de rede é obtido fazendo-se AND do endereço com a máscara de sub-rede. 13

18 6.6 Protocolos de roteamento Exemplos de protocolos de roteamento Os protocolos de roteamento (Observação: Não confunda com roteados roteados.) determinam os caminhos que os protocolos roteados seguem para seus destinos. Exemplos de protocolos de roteamento incluem o Routing Information Protocol (RIP), o Interior Gateway Routing Protocol (IGRP), o Enhanced Interior Gateway Routing Protocol (EIGRP) e o Open Shortest Path First (OSPF). Os protocolos de roteamento permitem que os roteadores conectados criem um mapa, internamente, de outros roteadores na rede ou na Internet. Isso permite o roteamento (ou seja, a seleção do melhor caminho e da comutação). Tais mapas tornam-se parte da tabela de roteamento de cada roteador Definição de protocolo de roteamento Os roteadores usam protocolos de roteamento para trocar tabelas de roteamento e para compartilhar informações de roteamento. Dentro de uma rede, o protocolo mais comumente usado para transferir informações de roteamento entre os roteadores, localizado na mesma rede, é o Routing Information Protocol (RIP). Esse Interior Gateway Protocol (IGP) calcula as distâncias para um host de destino em termos de quantos saltos (ou seja, quantos roteadores) um pacote deve passar. CARACTERÍSTICAS DO RIP 14

19 O RIP permite aos roteadores atualizar suas tabelas de roteamento em intervalos programáveis, normalmente a cada 30 segundos. Número de saltos é 15. Nem sempre seleciona o mais rápido caminho. Única métrica é o n] de saltos. Protocolo de vetor de distâncias. Uma desvantagem dos roteadores que usam RIP é estarem constantemente se conectando aos roteadores vizinhos para atualizar as suas tabelas de roteamento, criando, então, grande quantidade de tráfego de rede com atualizações. O RIP permite aos roteadores determinar que caminho usar para enviar dados. Ele faz isso usando um conceito conhecido como vetor de distância (distance vector). Sempre que os dados passam por um roteador e, assim, por um novo número de rede, isso é considerado igual a um salto. Um caminho que tem um contador de saltos de quatro indica que os dados trafegando pelo caminho precisariam passar por quatro roteadores antes de alcançar o destino final na rede. Se existirem vários caminhos para um destino, aquele com o menor número de saltos será escolhido pelo roteador. Como o contador de saltos é a única medida de roteamento usada pelo RIP, ele não seleciona necessariamente o caminho mais rápido para um destino. A métrica é uma medida para tomar decisões e em breve você vai aprender que outros protocolos de roteamento usam muitas outras métricas, além do contador de saltos, para localizar o melhor caminho de tráfego de dados. Todavia, o RIP continua muito popular e ainda é amplamente implementado. Isso se deve principalmente ao fato de ter sido um dos primeiros protocolos de roteamento desenvolvidos. Um outro problema causado pelo uso do RIP é que às vezes um destino pode estar muito distante para ser alcançado. Quando se usa o RIP, o número máximo de saltos pelos quais os dados podem ser encaminhados é quinze. A rede de destino é considerada inatingível se estiver a mais de 15 saltos de distância do roteador Seqüência de encapsulamento de roteamento Na camada de enlace, um datagrama IP é encapsulado em um quadro. O datagrama, incluindo o cabeçalho IP, é tratado como dado. Um roteador recebe o quadro, retira o cabeçalho do quadro e então verifica o endereço IP de destino no cabeçalho IP. O roteador procura o endereço IP de destino na sua tabela de roteamento, encapsula os dados em um quadro da camada de enlace e os envia à interface apropriada. Se não encontrar o endereço IP de destino, o pacote poderá ser abandonado. 15

20 6.6.4 Roteamento multiprotocolo Os roteadores são capazes de suportar vários protocolos de roteamento independentes e de manter tabelas de roteamento de vários protocolos roteados, simultaneamente. Essa capacidade permite ao roteador entregar pacotes de vários protocolos roteados pelos mesmos enlaces de dados. 6.7 Outros serviços da camada de rede 16

21 6.7.1 Serviços de rede sem conexão A maioria dos serviços de rede usa um sistema de entrega sem conexão. Eles tratam cada pacote separadamente e o enviam pela rede. Os pacotes podem seguir caminhos diferentes para atravessar a rede, mas são reagrupados quando chegam ao destino. Em um sistema sem conexão, o destino não é contatado antes de um pacote ser enviado. Uma boa analogia de um sistema sem conexão é um sistema postal. O destinatário não é contatado antes de uma carta ser enviada de um destino a outro. A carta é enviada e o destinatário toma conhecimento dela quando chega Serviços de rede orientados para conexão Em sistemas orientados para conexão, uma conexão é estabelecida entre o remetente e o destinatário, antes que qualquer dado seja transferido. Um exemplo de rede orientada para conexão é o sistema telefônico. Uma ligação é feita, uma conexão é estabelecida e então ocorre a comunicação Comparando processos de rede não conectados e orientados para conexão Os processos de rede sem conexão são normalmente conhecidos como comutação de pacotes. Nesses processos, à medida que o pacote passa da origem para o destino, ele pode comutar para diferentes caminhos, assim como pode (possivelmente) chegar defeituoso. Os dispositivos fazem a determinação dos caminhos para cada pacote com base em uma variedade de critérios. Alguns dos critérios (ex.: largura de banda disponível) podem ser diferentes de pacote para pacote. Os processos de rede orientados para conexão são freqüentemente conhecidos como comutação de circuitos. Esses processos estabelecem uma conexão com o destinatário primeiro e depois começa a transferência de dados. Todos os pacotes trafegam em seqüência através do mesmo circuito físico ou, mais comumente, através do mesmo circuito virtual. 17

22 A Internet é uma enorme rede sem conexão em que todos os envios de pacotes são identificados pelo IP. O TCP (camada 4) adiciona serviços orientados para conexão à parte superior do IP (camada 3). Os segmentos TCP são encapsulados em pacotes IP para serem transportados pela Internet. O TCP fornece serviços de sessões orientadas para conexão para enviar dados confiavelmente O IP e a camada de transporte O IP é um sistema sem conexão; ele trata de cada pacote independentemente. Por exemplo, se você usar um programa FTP para fazer o download de um arquivo, o IP não envia o arquivo em um fluxo de dados longo. Ele trata cada pacote independentemente. Cada pacote pode trafegar por diferentes caminhos. Alguns podem até se perder. O IP se baseia no protocolo da camada de transporte para determinar se os pacotes foram perdidos e para solicitar uma retransmissão. A camada de transporte também é responsável pela reorganização dos pacotes. 6.8 Tabelas ARP Dispositivos de internetworking que têm tabelas ARP Você aprendeu que a porta, ou a interface, pela qual um roteador se conecta a uma rede é considerada parte dessa rede, logo, a interface do roteador conectada à rede tem um endereço IP nessa rede. Os roteadores, assim como todos os outros dispositivos na rede, enviam e recebem dados pela rede e criam tabelas ARP que mapeiam os endereços IP para os endereços MAC Comparando tabelas ARP de roteadores com tabelas ARP mantidas por outros dispositivos de rede Os roteadores podem ser conectados a várias redes ou sub-redes. De modo geral, os dispositivos de rede mapeiam os endereços IP e os endereços MAC que vêem de 18

23 forma repetida e regular. Isso significa que um dispositivo típico contém informações de mapeamento relativas apenas aos dispositivos em sua própria rede. Ele pouco sabe sobre os dispositivos fora da sua LAN. Os roteadores criam tabelas que descrevem todas as redes conectadas a eles. Aa tabelas ARP mantidas pelos roteadores podem conter endereços IP e endereços MAC de dispositivos localizados em mais de uma rede. Além de mapear endereços IP para os endereços MAC, as tabelas do roteador também mapeiam portas. Você consegue imaginar um motivo pelo qual os roteadores precisariam fazer isso? (Observação: Examine a tabela ARP do roteador a seguir.) Rede de destino Porta do roteador Outros endereços de tabelas de roteadores O que acontece se um pacote de dados alcançar um roteador para o qual está destinado em uma rede com a qual não está conectado? Além de endereços IP e endereços MAC dos dispositivos localizados em redes com as quais se conecta, um roteador também possui endereços IP e endereços MAC de outros roteadores. Ele usa esses endereços a fim de direcionar os dados para seu destino final. Se um roteador receber um pacote cujo endereço de destino não está na sua tabela de roteamento, ele o encaminhará para o endereço de outro roteador mais provável de conter informações sobre o host de destino em sua tabela de roteamento. 19

24 6.8.4 Solicitações e pedidos ARP O ARP é usado apenas em uma rede local. O que aconteceria se um roteador local desejasse pedir a um roteador não local para fornecer serviços de roteamento indiretos (próximo salto), mas não soubesse o endereço MAC do roteador não local? Quando um roteador não souber o endereço MAC do roteador de próximo salto, o roteador de origem (o roteador que tem os dados a serem enviados) emite uma solicitação ARP. Um roteador que está conectado ao mesmo segmento que o roteador de origem recebe a solicitação ARP. Esse roteador emite uma resposta ARP ao roteador que originou a solicitação ARP. A resposta contém o endereço MAC do roteador não-local Proxy ARP Um dispositivo em uma rede não pode enviar uma solicitação ARP para um dispositivo em outra rede. Você pode imaginar um motivo para isso? O que acontece no caso das sub-redes? Um dispositivo em uma sub-rede pode encontrar o endereço MAC de um dispositivo em outra sub-rede? A resposta será sim, se a origem direcionar sua pergunta para o roteador. O trabalho através de terceiros chama-se proxy ARP e permite que o roteador atue como um gateway padrão Roteamento indireto Quando uma origem reside em uma rede que tem um número de rede diferente do destino desejado e quando não conhece o endereço MAC do destino, ela deve usar os serviços de um roteador, para que seus dados cheguem ao destino. Um roteador que é usado para essa finalidade é chamado de gateway padrão. Para obter os serviços de um gateway padrão, uma origem encapsula os dados de forma que contenha o endereço MAC de destino do roteador. Uma origem usa o endereço IP de destino do dispositivo do host, e não aquele de um roteador, no cabeçalho IP, porque deseja que os dados sejam enviados ao dispositivo do host e não a um roteador. 20

25 Quando um roteador capta os dados, retira as informações da camada de enlace que são usadas no encapsulamento, depois passa-os para a camada de rede, onde examina o endereço IP de destino. Ele compara o endereço IP de destino com as informações contidas em suas tabelas de roteamento. Se o roteador localizar o endereço IP de destino mapeado e o endereço MAC e descobrir que o local da rede de destino está conectado a uma de suas portas, ele encapsula os dados com as novas informações do endereço MAC e os encaminha ao destino correto. Se o roteador não conseguir localizar o endereço de destino mapeado e o endereço MAC do dispositivo de alvo final, ele localizará o endereço MAC de outro roteador que possa executar essa função e encaminhará os dados para esse roteador. Esse tipo de roteamento é conhecido como roteamento indireto. 6.9 Interior Gateway Protocol (IGP) e Exterior Gateway Protocol (EGP) Protocolos roteados e de roteamento Você aprendeu que os protocolos são como idiomas. Um protocolo que você tem estudado é o IP, ou o protocolo da Internet. Você sabe que o IP é um protocolo da camada de rede. Como o IP é roteado através de internetwork, é chamado protocolo roteado. Exemplos de outros tipos de protocolos roteados são o IPX da Novell e o Appletalk. 21

26 Os roteadores usam protocolos de roteamento para trocar tabelas de roteamento e compartilhar informações de roteamento. Em outras palavras, protocolos de roteamento determinam como os protocolos roteados são roteados. Exemplos de protocolos de roteamento incluem os seguintes: RIP - Routing Information Protocol IGRP - Interior Gateway Routing Protocol EIGRP - Enhanced Interior Gateway Routing Protocol OSPF - Open Shortest Path First IGPs e EGPs 22

27 Dois tipos de protocolos de roteamento são os Exterior Gateway Protocols (EGPs) e os Interior Gateway Protocols (IGPs). Os Exterior Gateway Protocols roteiam os dados entre sistemas autônomos. Um exemplo de EGP é o BGP (Border Gateway Protocol), o principal protocolo de roteamento externo da Internet. Você pode imaginar um exemplo onde um Exterior Gateway Protocol seria usado? Os Interior Gateway Protocols roteiam dados em um sistema autônomo. Alguns exemplos de IGPs são: RIP IGRP EIGRP OSPF Você pode imaginar um exemplo onde um Interior Gateway Protocol seria usado? RIP O método mais comum para transferir as informações de roteamento entre os roteadores que estão localizados na mesma rede é o RIP. Esse Interior Gateway Protocol calcula as distâncias para um destino. O RIP permite que os roteadores usem esse protocolo para atualizar suas tabelas de roteamento em intervalos programáveis, normalmente a cada trinta segundos. Entretanto, como ele está constantemente conectando roteadores vizinhos, isso pode causar aumento de tráfego na rede. O RIP permite que os roteadores determinem que caminho será usado para enviar dados com base em um conceito conhecido como vetor de distância (distance vector). Sempre que os dados trafegam em um roteador, e assim através de um número de rede, considera-se que trafegaram um salto. Um caminho que tem um contador de saltos de quatro indica que os dados que trafegam pelo caminho devem passar por quatro roteadores antes de alcançar o destino final na rede. Se existirem vários caminhos para um destino, o roteador, usando o RIP, seleciona o caminho com o menor número de saltos. Entretanto, como o contador de saltos é a única medida de roteamento usada pelo RIP para determinar melhores caminhos, ele não é necessariamente o caminho mais rápido. Todavia, o RIP continua muito popular e é amplamente implementado. Isso deve-se principalmente ao fato de ter sido um dos primeiros protocolos de roteamento a ser desenvolvido. Outro problema com o uso do RIP é que um destino pode estar localizado muito distante para que os dados o alcancem. Com o RIP, o número máximo de saltos pelos quais os dados podem trafegar é de quinze. Por isso, se a rede de destino estiver a mais de quinze roteadores de distância, será considerada inalcançável. 23

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29 IGRP e EIGRP O IGRP e o EIGRP são protocolos de roteamento desenvolvidos pela Cisco Systems, Inc. e, portanto, são considerados protocolos de roteamento proprietários. O IGRP foi desenvolvido especificamente para tratar problemas associados ao roteamento, em grandes redes de vários fabricantes, que estivessem além do escopo de protocolos como o RIP. 25

30 Como o RIP, o IGRP é um protocolo de vetor de distância (distance vector); entretanto, ao determinar o melhor caminho, ele também leva em consideração itens como largura de banda, carga, delay e confiabilidade. Os administradores de rede podem determinar a importância dada a qualquer uma dessas medidas. Ou permitir que o IGRP calcule o melhor caminho automaticamente. O EIGRP é uma versão avançada do IGRP. Especificamente, o EIGRP fornece eficiência operacional superior e une as vantagens dos protocolos de link state com as dos protocolos de vetor de distância (distance vector) OSPF OSPF significa "open shortest path first", ou "abrir o caminho mais curto primeiro". Uma descrição melhor, entretanto, pode ser "determinação de um caminho ótimo", pois esse Interior Gateway Protocol realmente usa vários critérios para determinar a melhor rota para um destino. Esses critérios incluem as medidas de custo, que são subdivididas em itens como a velocidade de rota, o tráfego, a confiança e a segurança Como os roteadores reconhecem as redes Então, como as informações sobre roteamento chegam a uma tabela de roteamento em primeiro lugar? O administrador de rede pode inserir as informações manualmente no roteador. Ou os roteadores podem conhecer as informações uns dos outros durante o processo. As entradas manuais nas tabelas de roteamento são chamadas "rotas estáticas". As rotas descobertas automaticamente são chamados "rotas dinâmicas". 26

31 Exemplos de roteamentos estáticos Se os roteadores podem obter as informações de roteamento automaticamente, pode parecer inútil inserir manualmente informações em tabelas de roteamento do roteador. Entretanto, tais entradas manuais podem ser úteis sempre que um administrador de rede desejar controlar que caminho o roteador vai selecionar. Por exemplo, tabelas de roteamento baseadas em informações estáticas podem ser usadas para testar um link particular na rede, ou para economizar largura de banda de longa distância. 27

32 O roteamento estático também é o método preferido para a manutenção das tabelas de roteamento quando houver apenas um caminho para uma rede de destino. Esse tipo de rede é conhecido como rede stub. Há apenas uma forma de chegar a essa rede, então é importante indicar essa situação para evitar que os roteadores tentem localizar outra maneira de chegar a essa rede stub se a sua conexão falhar. 28

33 Exemplo de roteamento dinâmico O roteamento adaptável, ou dinâmico, ocorre quando os roteadores enviam mensagens de atualização de roteamento uns para os outros periodicamente. Cada vez que recebe uma mensagem contendo novas informações, um roteador recalcula a melhor nova rota e envia as novas informações atualizadas para outros roteadores. Usando o roteamento dinâmico, os roteadores podem ajustar-se para alterar as condições de rede. Antes do advento da atualização dinâmica das tabelas de roteamento, a maioria dos fabricantes tinha que manter as tabelas de roteamento para seus clientes. Isso significava que os fabricantes tinham que inserir manualmente os números de rede, as distâncias associadas e os números de porta nas tabelas de roteamento de todos os equipamentos vendidos ou alugados. À medida que as redes cresciam, isso se tornava uma tarefa cada vez mais incômoda, demorada e, principalmente, cara. O roteamento dinâmico elimina a necessidade dos administradores de rede ou dos fabricantes inserirem manualmente as informações nas tabelas de roteamento. Isso funciona melhor quando a largura de banda e grandes quantidades de tráfego de rede não são 29

34 problema. RIP, IGRP, EIGRP e OSPF são exemplos de protocolos de roteamento dinâmico, pois permitem que esse processo ocorra. Sem os protocolos de roteamento dinâmico, a Internet seria impossível Como os roteadores usam o RIP para rotear dados através de uma rede Você tem uma rede de classe B dividida em oito sub-redes conectadas por três roteadores. O host A tem dados que deseja enviar ao host Z. Ele passa os dados através do modelo OSI, a partir da camada de aplicação para a camada de enlace, onde o host A encapsula os dados com informações fornecidas por cada camada. Quando os dados chegam à camada de rede, a origem A usa seu próprio endereço IP e o endereço IP de destino do host Z, pois é para onde deseja enviar os dados. Depois, o host A passa os dados à camada de enlace. Na camada de enlace, a origem A coloca o endereço MAC de destino do roteador, ao qual está conectada, e seu próprio endereço MAC no cabeçalho MAC. A origem A faz isso porque vê a sub-rede 8 como uma rede separada. Ela sabe que não pode enviar 30

35 dados diretamente para uma rede diferente, mas deve passá-los através de um gateway padrão. Nesse exemplo, o gateway padrão da origem A é o roteador 1. O pacote de dados trafega ao longo da sub-rede 1. Todos os hosts pelos quais ele passa o examinam mas não o copiam quando vêem que o endereço MAC de destino transportado pelo cabeçalho MAC não coincide com o deles. O pacote de dados continua ao longo da sub-rede 1 até alcançar o roteador 1. Como os outros dispositivos na sub-rede 1, o roteador 1 vê o pacote de dados e o capta, porque reconhece que seu próprio endereço MAC é igual ao endereço MAC de destino. O roteador 1 retira o cabeçalho MAC dos dados e o passa para a camada de rede, onde vê o endereço IP de destino no cabeçalho IP. O roteador faz uma busca em suas tabelas de roteamento a fim de mapear uma rota do endereço de rede do destino para o endereço MAC do roteador que está conectado à sub-rede 8. O roteador está usando o RIP como o seu protocolo de roteamento, determinando, portanto, que o melhor caminho para os dados é aquele que coloca o destino apenas a três saltos de distância. Depois, o roteador determina que deve enviar o pacote de dados através de qualquer uma de suas portas que estiver conectada à sub-rede 4, para que o pacote de dados alcance seu destino através do caminho selecionado. O roteador passa os dados para a camada de enlace, onde coloca um novo cabeçalho MAC no pacote de dados. O novo cabeçalho MAC contém o endereço MAC de destino do roteador 2 e o endereço MAC do primeiro roteador que se tornou a nova origem. O cabeçalho IP continua inalterado. O primeiro roteador passa o pacote de dados através da porta selecionada e para a sub-rede 4. 31

36 Os dados passam pela sub-rede 4. Todos os hosts pelos quais passam o examinam mas não o copiam quando vêem que o endereço MAC de destino transportado pelo cabeçalho MAC não coincide com o deles. O pacote de dados continua ao longo da sub-rede 4 até alcançar o roteador 2. Como os outros dispositivos na sub-rede 4, o roteador 2 vê o pacote de dados. Desta vez ele o capta, pois reconhece que o seu próprio endereço MAC é igual ao endereço MAC de destino. Na camada de enlace, o roteador retira o cabeçalho MAC e passa os dados à camada de rede. Lá, examina o endereço IP da rede de destino e procura na sua tabela de roteamento. O roteador, usando o RIP como seu protocolo de roteamento, determina se o melhor caminho para os dados é aquele que coloca o destino apenas a dois saltos de distância. Depois, o roteador determina que deve enviar o pacote de dados através de qualquer uma de suas portas que estiver conectada à sub-rede 5, para que o pacote de dados alcance seu destino através do caminho selecionado. O roteador passa os dados para a camada de enlace, onde coloca um novo cabeçalho MAC no pacote de dados. O novo cabeçalho MAC contém o endereço MAC de destino do roteador 2 e o endereço MAC do primeiro roteador torna-se o novo MAC de origem. O cabeçalho IP continua inalterado. O primeiro roteador passa o pacote de dados através da porta selecionada e para a sub-rede 5. Os dados passam ao longo da sub-rede 5. O pacote de dados continua ao longo da sub-rede 5 até alcançar o roteador 3. Como os outros dispositivos na sub-rede 5, o roteador 3 vê o pacote de dados. Desta vez ele o capta, pois reconhece que o seu próprio endereço MAC é igual ao endereço MAC de destino. Na camada de enlace, o roteador retira o cabeçalho MAC e o passa à camada de rede. Lá, ele vê que o endereço IP de destino no cabeçalho IP coincide com o de um host que está localizado em uma das sub-redes à qual está conectado. Depois, o roteador determina que deve enviar o pacote de dados através de qualquer uma de suas portas que esteja conectada à sub-rede 8, para que o pacote de dados alcance o endereço de destino. Ele coloca um novo cabeçalho MAC nos dados. Desta vez, o novo cabeçalho MAC contém o endereço MAC de destino do host Z e o endereço MAC de origem do roteador 3. Como antes, o cabeçalho IP continua inalterado. O roteador 3 envia os dados através da porta conectada à sub-rede 8. O pacote de dados trafega ao longo da sub-rede 8. Todos os hosts pelos quais passa o examinam mas não o copiam quando vêem que o endereço MAC de destino transportado pelo cabeçalho MAC não coincide com o deles. Finalmente, ele alcança o host Z, que o capta, pois vê que seu endereço MAC coincide com o endereço MAC de destino transportado no cabeçalho MAC do pacote de dados. O host Z retira o cabeçalho MAC e passa os dados à camada de rede. Na camada de rede, o host Z vê que seu endereço IP e o endereço IP de destino transportado no 32

37 cabeçalho IP coincidem. O host Z retira o cabeçalho IP e passa os dados à camada de transporte do modelo OSI. O host Z continua a retirar as camadas que encapsulam o pacote de dados e a passar os dados à próxima camada do modelo OSI. Isso continua até que os dados finalmente cheguem à camada superior, a camada de aplicação, do modelo OSI Como especificar um Router As funções de um router também podem ser encontradas comercialmente agregadas a um Switch. Neste caso são denominados de COMUTADORES DE CAMADA 3 e 2 ou ROTEADOR-COMUTADOR (Switch-router). Para os equipamentos que somente realizam as funções específicas de camada 3 são denominados simplesmente de ROUTER. Para o caso de ROTEADOR-COMUTADOR, as características mecânicas, elétricas e funcionais são as mesmas destacadas no capítulo 7 nos itens de 1 a 10 que detalham especificações dos switches, considerando que ainda é possível encontrar capacidades maiores para alguns modelos comerciais de maior porte. Isto se deve ao fato de que equipamentos que realizam as funções de camada 3 e 2 normalmente possuem melhores relações de custo/benefício na concentração de recursos, redução de espaço físico ou mesmo custo total comparado na aquisição separada de Switch e Router. Para o caso de ROUTER, as especificações ficam concentradas nos parâmetros de camada 3 (veja item c a seguir) e os padrões mecânicos de versões desktop ou rack 19 que em geral são modulares. A partir de um chassi básico para um determinado modelo de router, vários módulos podem integrar funções especiais como ampliação do número de portas WAN, convergência com voz (módulos FXO, FXS e E&M), conexões a redes diferenciadas como ADSL, RDSI, ATM etc... Enfim, o número de possibilidades para interconexão de redes fica ilimitado... A figura a seguir ilustra exemplos de roteadores do tipo rack 19, desktop e um módulo com interface de fibra ótica respectivamente. Ainda, dependendo do Sistema Operacional embarcado no Router, pode-se incluir ferramentas, aplicativos, protocolos nos diversos níveis e várias funções adicionais 33

38 que podem conferir melhor performance e leque de aplicações destes equipamentos. A presença ou não de uma ou mais destas características adicionais definem o tipo e o preço deste equipamento. Portanto, para voce especificar este equipamento é necessário prever desde a velocidade máxima desejada em sua porta WAN até as facilidades e interoperabilidade de cada camada com a rede que se pretende instalá-lo. a) CAMADA 1 - Quantidade de portas WAN: 1 à Tipos de Interface WAN: V.35,V.36, RS232, G703, ATM - Velocidades da WAN: de 1200Bps à 155Mbps - Quantidades de portas LAN: 1 à 24 10/100BaseT - Quantidades de portas Auxiliares (assíncronas): 0 à 4 do tipo RS232 até 230Kbps - Quantidades de portas específicas para VoIP FXO, FXS e E&M: Depende do número de slots para este fim. - Capacidade de Memória RAM: mín 16M (prever mais para permitir upgrades de Firmware) - Capacidade de Memórias Flash: mín 16M (prever mais para armazenagem de rotas e outros serviços) b) CAMADA 2 - Multicast endereçamento para um grupo de máquinas específico com outros tipos de protocolos; - Agregação de Enlaces (ou Trunking): Permite que vários enlaces físicos sejam agregados como único enlace lógico de maior velocidade (portas 100baseTX/FX ou 1000baseT/SX/LX. - Armazenamento de até 1.600K endereços MAC; - Nº de Identificadores VLAN de 32 à 4096 Nº de sessões que podem ser abertas simultaneamente. - Protocolos de acesso: Frame Relay, ISDN, X.25, HDLC, PPP e outros. c) CAMADA 3 - Protocolos roteáveis: IP, IPX, Apletalk Funções especiais: Servidor DHCP; NAT, VRRP;SLB; WCR; ACLs; ECMP, ICMP - Protocolos de roteamento: Rotas estáticas; Rotas Dinâmicas: RIP; RIP-V2; OSPF; BGP4; MBGP; RMON; IGMP; DVMRP; PIM-DM; PIM-SM; IS-IS - Nº de pacotes encaminhados na rede: melhores superiores a 5000 pacotes por segundo. d) CAMADA 4 ou mais... - DHCP relay; Wire-Speed; B-RAS; QoS; Portal de serviços. - SNMP, Firewall, VPN, VoIP, PAP, CHAP 34