Capítulo 4: Camada de Rede

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1 Capítulo 4: Camada de Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes de circuito Virtual e redes datagrama 4.3 O que tem dentro de um roteador; 4.4 IP: Protocolo Internet(IP) Formato do Datagrama Endereçamento IPv4 a ICMP IPv6 4: Camada de Rede 4a-1

2 Camada de rede Dinâmica: Transporta segmento do SF transmissor até o SF receptor; No lado do transmissor encapsula segmentos dentro de datagramas; No lado do receptor, entrega segmentos para camada de transporte; Observações: O protocolo da camada de rede é implementada em todos os SF e roteadores; Roteador examina campos do cabeçalho de todo o datagrama IP; application transport network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical network data link physical application transport network data link physical 4: Camada de Rede 4a-2

3 As duas Funções principais da camada de rede Comutação: mover pacotes dentro do roteador da entrada à saída apropriada; Com base em:tabela de comutação e datagrama; Roteamento: rota seguida por pacotes da origem ao destino. Algoritmos de roteamento; Em algumas arquiteturas... estabelecimento da chamada: algumas arquiteturas de rede requerem determinar o caminho antes de enviar os dados. 4: Camada de Rede 4a-3

4 Interação entre roteamento e comutação routing algorithm local forwarding table header value output link Valor no cabeçalho do pacote que chega : Camada de Rede 4a-4

5 Modelo de serviço da rede P: Qual é o modelo de serviço para o canal que transporta pacotes do remetente ao receptor? Serviço individual por datagramas: Entrega garantida; Entrega garantida com limite de tempo( em menos que 40 msec de atraso). Serviço para um fluxo de datagramas: Entrega datagrama naordem de geração; Garantia mínima de banda para o fluxo; Restrição de mudanças no espaçamento entre pacotes. 4: Camada de Rede 4a-5

6 Modelos de serviço da camada de rede Arquitetura de Rede Modelo de serviço Banda Garantias? Perdas Ordem Tempo Informa s/ congestion.? Internet ATM ATM ATM melhor esforço CBR VBR ABR nenhuma taxa constante taxa garantida mínima garantida não sim sim não não sim sim sim não sim sim não não (inferido via perdas) sem congestion. sem congestion. sim 4: Camada de Rede 4a-6

7 Capítulo 4: Camada de Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes de circuito Virtual e redes datagrama 4.3 O que tem dentro de um roteador; 4.4 IP: Protocolo Internet(IP) Formato do Datagrama Endereçamento IPv4 a ICMP IPv6 4: Camada de Rede 4a-7

8 Camada de Rede: Serviço orientado e não-orientado a conexão Similar ao serviço da camada de transporte, mas: serviço: sistema final-a-sistema final sem escolha: a rede fornece um ou outro implementação: no interior da rede Rede de datagrama fornece serviço nãoorientado a conexão; Rede de Circuito virtuais fornece serviço orientado a conexão; 4: Camada de Rede 4a-8

9 Circuitos virtuais caminho da-origem-ao-destino se comporta como um circuito telefônico em termos de desempenho ações da rede ao longo do caminho estabelecimento de cada chamada antes do envio dos dados cada pacote tem ident. de CV (e não endereços origem/dest) cada roteador no caminho da-origem-ao-destino mantém estado para cada conexão que o atravessa conexão da camada de transporte só envolve os 2 sistemas terminais recursos de enlace, roteador (banda, buffers) podem ser alocados ao CV para permitir desempenho como de um circuito 4: Camada de Rede 4a-9

10 Implementação de CV Um CV consiste de: 1. Caminho da fonte para destino; 2. Número CV, um número para cada enlace ao longo do caminho; 3. Entradas nas tabelas de comutação dos roteadores ao longo do caminho. Pacote que pertence a um CV leva o número VC (ao invés do endereço destino) Número CV pode mudar a cada enlace. Novo número CV obtido da tabela de comutação 4: Camada de Rede 4a-10

11 Tabela Comutação Número CV Tabela de comutação do roteador: Número interface Interface entrada # do CV entrada Interface saída # CV de saida Roteadores mantém informação sobre estado da conexão 4: Camada de Rede 4a-11

12 Circuitos virtuais: protocolos de sinalização usados para estabelecer, manter, remover CV usados em ATM, frame-relay, X.25 não usados na Internet de hoje aplicação transporte rede enlace física 5. começa fluxo de dados 6. dados recebidos 4. conexão completa 3. chamada aceita 1. inicia chamada 2. chegada de chamada aplicação transporte rede enlace física 4: Camada de Rede 4a-12

13 Rede de datagramas: o modelo da Internet não requer estabelecimento de chamada na camada de rede roteadores: não guardam estado sobre conexões fim a fim não existe o conceito de conexão na camada de rede pacotes são roteados tipicamente usando endereços de destino pacotes entre o mesmo par origem-destino podem seguir caminhos diferentes aplicação transporte rede enlace física 1. envia dados 2. recebe dados aplicação transporte rede enlace física 4: Camada de Rede 4a-13

14 Tabela Comutação 4 bilhões de possíveis entradas Destination Address Range Link Interface through through through otherwise 3 4: Camada de Rede 4a-14

15 Casando o prefixo mais longo Prefix Match Link Interface otherwise 3 Exemplos DA: Qual interface? DA: Qual interface? 4: Camada de Rede 4a-15

16 Rede de datagramas ou CVs: por quê? Internet troca de dados entre computadores serviço elástico, sem reqs. temporais estritos sistemas terminais inteligentes (computadores) podem se adaptar, exercer controle, recuperar de erros núcleo da rede simples, complexidade na borda muitos tipos de enlaces características diferentes ATM evoluiu da telefonia conversação humana: temporização estrita, requisitos de confiabilidade requer serviço garantido sistemas terminais burros telefones complexidade dentro da rede serviço uniforme difícil 4: Camada de Rede 4a-16

17 Capítulo 4: Camada de Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes de circuito Virtual e redes datagrama 4.3 O que tem dentro de um roteador; 4.4 IP: Protocolo Internet(IP) Formato do Datagrama Endereçamento IPv4 a ICMP IPv6 4: Camada de Rede 4a-17

18 Arquitetura de um Roteador 4: Camada de Rede 4a-18

19 Funções da Porta de Entrada Camada f ísica: recepção de bits Camada de enlace: p.ex., Ethernet veja capítulo 5 Comutação descentralizada: dado o dest do datagrama, procura porta de saída usando tab. de rotas na memória da porta de entrada meta: completar processamento da porta de entrada na velocidade da linha filas: se datagramas chegam mais rápido que taxa de re-envio para matriz de comutação 4: Camada de Rede 4a-19

20 Filas na Porta de Entrada Se matriz de comutação for mais lenta do que a soma das portas de entrada juntas -> pode haver filas nas portas de entrada Bloqueio cabeça-de-linha (Head-of-the-Line - HOL): datagrama na cabeça da fila impede outros na mesma fila de avançarem retardo de enfileiramento e perdas devido ao transbordo do buffer de entrada! 4: Camada de Rede 4a-20

21 Três tipos de matriz de comutação 4: Camada de Rede 4a-21

22 Comutação via Memória Roteadores da primeira geração: pacote copiado pelo processador (único) do sistema velocidade limitada pela largura de banda da memória (2 travessias do barramento por datagrama) Porta de Entrada Memória Porta de Saída Roteadores modernos: Barramento do Sistema processador da porta de entrada consulta tabela, copia para a memória Cisco Catalyst : Camada de Rede 4a-22

23 Comutação via Barramento Move datagrama da memória da porta de entrada à memória da porta de saída via um barramento compartilhado contenção pelo barramento: taxa de comutação limitada pela largura de banda do barramento Barramento de 1 Gbps, Cisco 1900: velocidade suficiente para roteadores de acesso e corporativos (mas não regionais ou de backbone) 4: Camada de Rede 4a-23

24 Comutação via uma Rede de Interconexão supera limitações de banda dos barramentos Redes Banyan, outras redes de interconexão desenvolvidas inicialmente para interligar processadores num multiprocessador Projeto avançado: fragmentar datagrama em células de tamanho fixo, comutar células através da matriz de comutação. Cisco 12000: comuta N Gbps pela rede de interconexão. 4: Camada de Rede 4a-24

25 Porta de Saída Buffers necessários quando datagramas chegam da matriz de comutação mais rapidamente que a taxa de transmissão Disciplina de escalonamento escolhe um dos datagramas enfileirados para transmissão 4: Camada de Rede 4a-25

26 Filas na Porta de Saída usa buffers quando taxa de chegada através do comutador excede taxa de transmissão de saída enfileiramento (retardo), e perdas devidas ao transbordo do buffer da porta de saída! 4: Camada de Rede 4a-26

27 Capítulo 4: Camada de Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes de circuito Virtual e redes datagrama 4.3 O que tem dentro de um roteador; 4.4 IP: Protocolo Internet(IP) Formato do Datagrama Endereçamento IPv4 a ICMP IPv6 4: Camada de Rede 4a-27

28 A Camada de Rede na Internet Funções da camada de rede em estações, roteadores: Camada de transporte: TCP, UDP Camada de rede Protocolos de rot. seleção de rotas RIP, OSPF, BGP Tabela de com. protocolo IP convenções de endereços formato do datagrama convenções de manuseio do pct protocolo ICMP relata erros sinalização de roteadores Camada de enlace Camada física 4: Camada de Rede 4a-28

29 Formato do datagrama IP número da versão do protocolo IP comprimento do cabeçalho (bytes) tipo dos dados (DS) número máximo de enlaces restantes (decrementado a cada roteador) protocolo da camada superior ao qual entregar os dados Qual o overhead com TCP? 20 bytes of TCP 20 bytes of IP = 40 bytes + overhead aplic. ver comp. cab ident. 16-bits sobrevida TTL tipo de serviço 32 bits camada superior comprimento bits início do fragmento checksum Internet endereço IP de origem 32 bits endereço IP de destino 32 bits Opções (se tiver) dados (comprimento variável, tipicamente um segmento TCP ou UDP) comprimento total do datagrama (bytes) para fragmentação/ remontagem p.ex. temporizador, registrar rota seguida, especificar lista de roteadores a visitar. 4: Camada de Rede 4a-29

30 IP: Fragmentação & Remontagem cada enlace de rede tem MTU (max.transmission unit) - maior tamanho possível de quadro neste enlace. tipos diferentes de enlace têm MTUs diferentes datagrama IP muito grande dividido ( fragmentado ) dentro da rede um datagrama vira vários datagramas remontagem fragmentação: entrada: um datagrama grande saída: 3 datagramas menores remontado apenas no destino final bits do cabeçalho IP usados para identificar, ordenar fragmentos relacionados 4: Camada de Rede 4a-30

31 IP: Fragmentação & Remontagem Exemplo Datagrama com 4000 bytes MTU = 1500 bytes compr =4000 ID =x compr =1500 bit_frag =0 ID =x início =0 um datagrama grande vira vários datagramas menores bit_frag =1 início =0 compr =1500 ID =x bit_frag =1 início =1480 compr =1040 ID =x bit_frag =0 início =2960 4: Camada de Rede 4a-31

32 Capítulo 4: Camada de Rede 4. 1 Introdução 4.2 Redes de circuito Virtual e redes datagrama 4.3 O que tem dentro de um roteador; 4.4 IP: Protocolo Internet(IP) Formato do Datagrama Endereçamento IPv4 ICMP IPv6 4: Camada de Rede 4a-32

33 Endereçamento IP: introdução endereço IP: ident. de 32-bits para interface de estação, roteador interface: conexão entre estação, roteador e enlace físico roteador típico tem múltiplas interfaces estação pode ter múltiplas interfaces endereço IP associado à interface, não à estação ou roteador = : Camada de Rede 4a-33

34 Endereçamento IP endereço IP: parte de rede (bits de mais alta ordem) parte de estação (bits de mais baixa ordem) O que é uma rede IP? (da perspectiva do endereço IP) interfaces de dispositivos com a mesma parte de rede nos seus endereços IP podem alcançar um ao outro sem passar por um roteador LAN Esta rede consiste de 3 redes IP (para endereços IP começando com 223, os primeiros 24 bits são a parte de rede) 4: Camada de Rede 4a-34

35 Endereçamento IP Como achar as redes? Desacoplar cada interface do seu roteador, ou estação; criar ilhas de redes isoladas; Sistema interligado consistindo de seis redes : Camada de Rede 4a-35

36 Endereços IP dada a noção de rede, vamos reexaminar endereços IP: endereçamento baseado em classes : classe A 0 rede estação B 10 rede estação C 110 rede estação to to to bits 4: Camada de Rede 4a-36

37 Endereçamento IP: CIDR Endereçamento baseado em classes: uso ineficiente e esgotamento do espaço de endereços p.ex., rede da classe B aloca endereços para 65K estações, mesmo se houver apenas 2K estações nessa rede CIDR: Classless InterDomain Routing parte de rede do endereço de comprimento arbitrário formato de endereço: a.b.c.d/x, onde x é no. de bits na parte de rede do endereço parte de rede parte de estação /23 4: Camada de Rede 4a-37

38 Endereços IP: como conseguir um? Estações (parte de estação): codificado pelo administrador num arquivo Windows: control-panel->network->configuration- >tcp/ip->properties Linux/ubuntu: /etc/network/interfaces DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: obtém endereço dinamicamente: plug-and-play estação difunde mensagem DHCP discover servidor DHCP responde com DHCP offer estação solicita endereço IP: DHCP request servidor DHCP envia endereço: DHCP ack 4: Camada de Rede 4a-38

39 Endereços IP: como conseguir um? Rede (parte de rede): conseguir alocação a partir do espaço de endereços do seu provedor IP Bloco do /20 provedor Organização /23 Organização /23 Organização / Organização /23 4: Camada de Rede 4a-39

40 Endereçamento IP: a última palavra... P: Como um provedor IP consegue um bloco de endereços? R: ICANN: Internet Corporation for Assigned Names and Numbers aloca endereços gerencia DNS aloca nomes de domínio, resolve disputas (no Brasil, estas funções foram delegadas ao Registro nacional, sediado na FAPESP (SP), e comandado pelo Comitê Gestor Internet BR) 4: Camada de Rede 4a-40

41 Enviando um datagrama da origem ao destino datagrama IP: campos misc end. IP origem end. IP dest dados datagrama permanece inalterado, enquanto passa da origem ao destino campos de endereços de interesse aqui A B tabela de rotas em A rede dest. próx. rot Nenlaces E 4: Camada de Rede 4a-41

42 Enviando um datagrama da origem ao destino campos misc. Supondo um datagrama IP originado em A, e endereçado a B: procura endereço de rede de B descobre que B é da mesma rede que A camada de enlace remeterá datagrama diretamente para B num quadro da camada de enlace dados B e A estão diretamente ligados A B rede dest. próx. rot Nenlaces E 4: Camada de Rede 4a-42

43 Enviando um datagrama da origem ao destino campos div. OrigemA, destino E: procura endereço de rede de E É em uma rede diferente A, E não ligados diretamente tabela de rotas: próximo roteador na rota para E é camada de enlace envia datagrama ao roteador num quadro da camada de enlace datagrama chega a dados continua A B rede dest. próx. rot Nenlaces E 4: Camada de Rede 4a-43

44 Enviando um datagrama da origem ao destino campos div. Chegando a , destinado a rede próx dados dest. rot. Nenl. interface procura endereço de rede de E E fica na mesma rede que a interface do roteador roteador, E estão diretamente ligados camada de enlace envia datagrama p/ dentro de quadro de camada de enlace via interface datagrama chega a !!! (oba!) A B E 4: Camada de Rede 4a-44

45 NAT: Network Address Translation Restante da rede Rede local (e.g., home network) / Todos os datagramas saindo da rede local tem o mesmo endereço NAT IP: , diferentes números de portas fontes Datagramas com origem ou destino nesta rede tem endereço /24 para fonte, e de destino o usual 4: Camada de Rede 4a-45

46 NAT: Network Address Translation Motivação: rede local usa apenas um endereço IP: Não há necessidade de alocar faixas de endereços de um ISP apenas um endereço IP é usado para todos os dispositivos Permite mudar o endereço dos dispositivos internos sem necessitar notificar o mundo externo; Permite a mudança de ISPs sem necessitar mudar os endereços dos dispositivos internos da rede local Dispositivos internos a rede, não são visíveis nem endereçaveis pelo mundo externo (melhora segurança); 4: Camada de Rede 4a-46

47 NAT: Network Address Translation Implementação: roteador NAT deve; Datagramas que saem: trocar (endereço IP fonte, porta #) de cada datagrama de saída para (endereço NAT IP, nova porta #)... clientes/servidores remotos irão responder usando (endereço NAT IP, nova porta #) como endereço destino. guardar (na tabela de tradução de endereços NAT): os pares de tradução de endereços (endereço IP fonte, porta #) para (endereços NAT IP, nova porta #) Datagramas qeu chegam: trocar (endereço NAT IP, nova porta #) no campo de destino de cada datagrama que chega com o correspondente (endereço IP fonte, porta #) armazenado na tabela NAT 4: Camada de Rede 4a-47

48 NAT: Network Address Translation 2: roteador NAT muda o endereço de origem , 3345 de , 3345 para , 5001, e atualiza a tabela 2 Tabela de tradução NAT WAN addr LAN addr , , 3345 S: , 5001 D: , S: , 3345 D: , : host envia datagrama para , S: , 80 D: , : resposta chega no endereço de destino: , 5001 S: , 80 D: , : roteador NAT muda o endereço de destino de , 5001 para , : Camada de Rede 4a-48

49 NAT: Network Address Translation Campo de porta de 16-bit : 60,000 conexões simultâneas com um único endereço de rede; NAT é controverso: Roteadores devem fazer processamentos até no máximo a camada 3; Viola o conceito fim-a-fim A possibilidade de suporte a NAT deve ser levado em consideração pelos desenvolvedores de aplicações; O problema de diminuição do número de endereços deveria ser tratada por IPv6; 4: Camada de Rede 4a-49

50 ICMP: Internet Control Message Protocol usado por estações, roteadores para comunicar informação s/ camada de rede relatar erros: estação, rede, porta, protocolo inalcançáveis pedido/resposta de eco (usado por ping) camada de rede acima de IP: msgs ICMP transportadas em datagramas IP mensagem ICMP: tipo, código mais primeiros 8 bytes do datagrama IP causando erro Tipo Código descrição 0 0 resposta de eco (ping) 3 0 rede dest. inalcançável 3 1 estação dest inalcançável 3 2 protocolo dest inalcançável 3 3 porta dest inalcançável 3 6 rede dest desconhecida 3 7 estação dest desconhecida 4 0 abaixar fonte (controle de congestionamento - ñ usado) 8 0 pedido eco (ping) 9 0 anúncio de rota 10 0 descobrir roteador 11 0 TTL (sobrevida) expirada 12 0 erro de cabeçalho IP 4: Camada de Rede 4a-50

51 Por hoje é só...vamos para o lab. 4: Camada de Rede 4a-51

52 DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol Objetivo: permite que endereços IPs sejam dinamicamente atribuídos pelos servidores de rede aos hosts quando estes se conectam a rede Permite a reutilização de endereços (os endereços são mantidos enqunto a máquina está ligada) Dá suporte a usuários móveis que desejem conectar-se a rede Visão geral DHCP: host envia msg DHCP discover via broadcast Servidor DHCP responde com msg DHCP offer host requisita endereço IP: msg DHCP request Servidor DHCP envia endereço: msg DHCP ack 4: Camada de Rede 4a-52

53 DHCP: cenário cliente-servidor A servidor DHCP B E Cliente DHCP que chega necessita de um endereço nesta rede 4: Camada de Rede 4a-53

54 DHCP: cenário cliente-servidor Servidor DHCP : DHCP discover src : , 68 dest.: ,67 yiaddr: transaction ID: 654 Cliente que chega temp o DHCP request DHCP offer src: , 68 dest:: , 67 yiaddrr: transaction ID: 655 Lifetime: 3600 secs src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 654 Lifetime: 3600 secs DHCP ACK src: , 67 dest: , 68 yiaddrr: transaction ID: 655 Lifetime: 3600 secs 4: Camada de Rede 4a-54