Protocolos de Comunicação (Tanenbaum, 1.3)

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1 Protocolos de Comunicação (Tanenbaum, 1.3) O quê são: São um conjunto de regras que regem o formato e significado dos pacotes ou mensagens que são trocadas por uma camada e sua entidade par em outra máquina. A camada usa protocolos para implementar suas definições de serviço e está livre para alterálos, desde que não mude o serviço visível para os seus usuários (camadas adjacentes) O protocolo Ethernet (Tanenbaum, e 4.3): A norma IEEE refere-se a uma família de redes locais baseadas no protocolo de acesso ao meio CSMA/CD, que sugere uma forma para permitir a comunicação de várias estações através do mesmo meio físico, utilizando um canal broadcast. A norma especifica uma família inteira de sistemas CSMA/CD, rodando a velocidades que variam de 1 a 10 Mbit/s em vários meios físicos. O protocolo Ethernet é uma das possíveis implementações da norma Topologia A rede local Ethernet pode ser utilizada nas topologias barra e estrela. A topologia tipo barra utiliza o cabo coaxial como meio físico, mas a tendência é a utilização das redes locais na topologia estrela, com um switch ou hub central e o meio físico sendo o par trançado categoria 5. Isso se deve às vantagens em termos de segurança física (rompimento do cabo) e facilidades de mudança de layout proporcionados pela topologia estrela (que a torna mais barata a médio prazo). Desempenho Em uma rede Ethernet, quanto maior a carga, maior o número de colisões que estão acontecendo. Esse aumento de colisões provoca uma diminuição no desempenho do sistema como um todo, pois a estação deverá fazer várias tentativas até conseguir transmitir seu quadro, diminuindo a taxa global de transmissão. Os switches aumentam o desempenho, visto que ele cria um domínio de colisão exclusivo para cada porta (analogamente à bridge) Sinalização de nível físico No nível físico, as redes Ethernet de 10Mbit/s (UTP, coaxial e fibra ótica) utilizam a codificação Manchester (Tanenbaum, 4.3.2) para fazer a transmissão das mensagens.. A codificação Manchester é mapeada de forma diferente no cabo coaxial fino, coaxial grosso, par trançado e fibra ótica.

2 Acima, vemos o quadro Ethernet cujo tamanho máximo é de 1518 bytes (mais o preâmbulo e o delimitador inicial). O suplemento IEEE 802.3ac estende o quadro para 1522 bytes, suportando a tag de VLAN (não mostrado na figura). Quando um micro quiser enviar dois pacotes consecutivos, ele deverá esperar um tempo chamado de Inter Frame Gap (IFG) equivalente a 12 bytes ou 96 bits. Esta medida serve para liberar o meio físico e permitir que outras estações também possam enviar seus pacotes (antigamente era o tempo necessário para as placas de rede passarem de recebendo dados para transmitindo dados ). A definição de cada campo que compõe o quadro é descrita a seguir: Preâmbulo: é uma seqüência de 7 bytes para sincronização entre transmissor e receptor. Cada byte tem um padrão de bits " ". A codificação Manchester para esse padrão produz uma onda quadrada de 10 MHz durante 5,6 µs; Delimitador Inicial do quadro (DI): é um byte com o padrão " ", delimitando o início do quadro; Endereço destino e endereço fonte: cada quadro contém um campo de 6 bytes que dá o endereço da estação destino e outro que dá o endereço da estação origem da informação. A norma prevê endereços de 2 ou 6 bytes para indicar o endereço, mas o protocolo Ethernet utiliza somente endereços de 6 bytes. O bit mais significativo do endereço destino é "0" para endereços normais e "1" para endereços de grupo. Endereços de grupo permitem que várias estações escutem através do mesmo endereço. Quando um quadro é enviado para um endereço desse tipo, todas as estações pertencentes àquele grupo o recebem. Enviar uma mensagem para um endereço de grupo é chamado multicast. Um endereço com todos os bits em "1" é denominado broadcast, e é destinado à todas estações da rede; Tam/Tipo: indica o tamanho do campo de dados em bytes (IEEE 802.3) ou tipo do protocolo de nível superior (Ethernet II). O mínimo é 0 e o máximo é Se o número de bytes de dados é menor que 46, o complemento para fechar 46 é preenchido, a fim de completar o tamanho mínimo de 64 bytes no quadro; Dados: é a informação propriamente dita; CRC: o CRC (Cyclic Redundancy Check), é um dos algoritmos mais eficazes para detectar erros na transmissão. Baseia-se num polinômio (matemática) e, quando o erro é detectado, o quadro é descartado. O tamanho mínimo de um quadro no protocolo Ethernet é 64 bytes, por dois motivos principais:

3 a) Prevenir o fato de uma estação terminar a transmissão de um quadro curto antes do seu primeiro bit alcançar o final do cabo, o que faria com que uma eventual colisão não fosse detectada; b) Quando uma placa detecta uma colisão, ela "trunca" o quadro que está transmitindo a fim de liberar o barramento o mais rápido possível. Assim, é normal aparecerem "lixos" ou pedaços de quadros no cabo. O tamanho mínimo de 64 bytes permite uma maior facilidade na detecção de quadros válidos e "lixos". Token Ring: Protocolo de camada 2 desenvolvido pela IBM, tem topologia física original em anel (podendo ser alterada para estrela, com a utilização de uma MAU). O protocolo de passagem de Token para controle de acesso ao anel é baseado num quadro padrão de 24 Bytes chamado token, o qual fica circulando continuamente no anel. Quando determinada estação quer transmitir uma mensagem, ela executa os seguintes passos: 1. Remove o token do anel; 2. Executa a transmissão de sua mensagem; 3. Conforme os bits mensagem vão retornando após terem dado a volta, a estação deve retirá-los do anel, a fim de que não fiquem circulando indefinidamente; 4. Recoloca o token no anel com a prioridade adequada. Como somente a estação que possui o token tem permissão de executar a transmissão, não existem colisões nesse tipo de rede. Este esquema, padronizado pelo grupo do IEEE, está ainda em uso na IBM, mas virtualmente em nenhum lugar fora dela. IPX/SPX: A Novell Inc. desenvolveu e apresentou um sistema operacional de rede (Netware) no começo dos anos 80, utilizando uma arquitetura cliente/servidor. Os clientes (às vezes chamados estações de trabalho) solicitam serviços, como acesso a arquivos e impressoras, a partir dos servidores. Ao contrário das redes Windows, os servidores NetWare são servidores dedicados e não podem ser usados como clientes. O Novell Netware é um conjunto proprietário de protocolos e inclui o seguinte: O IPX, um protocolo de camada 3 sem conexão, que não requer confirmação para os pacotes e define os endereços da rede e do nó (análogo ao protocolo IP do TCP/IP). O endereço de rede é atribuído pelo Administrador e endereço MAC é o endereço de host. O serviço Sequenced Packet Exchange (SPX) para serviços da camada 4 orientados para conexão (análogo ao protocolo TCP do TCP/IP)

4 TCP/IP (Tanenbaum, 5.6.1, 6.4 e 6.5) O TCP/IP é de fato o padrão das comunicações de internetworks e serve como protocolo de transporte para a Internet, permitindo a comunicação de milhões de computadores no mundo todo. O TCP/IP é uma referência útil na compreensão de outros protocolos porque inclui elementos que são representativos de outros protocolos. Abaixo temos uma comparação do modelo TCP/IP com o modelo OSI: A função da pilha, ou conjunto, TCP/IP é transferir informações de um dispositivo em rede para outro. Ao fazer isso, ela mapeia cuidadosamente o modelo de referência OSI nas camadas inferiores e suporta todos os protocolos padrão físicos e de enlace de dados. O TCP/IP permite a comunicação entre qualquer conjunto de redes interconectadas e é bem adequado tanto para a comunicação LAN como para a comunicação WAN. O TCP/IP inclui não apenas as especificações das camadas 3 e 4 (como o IP e o TCP), como também inclui as especificações de aplicativos comuns como o correio eletrônico, o login remoto, a emulação de terminal e a transferência de arquivos.

5 Protocolos da camada de Aplicação: A camada de aplicação suporta os protocolos de endereçamento e o gerenciamento de rede. Ela também tem protocolos para transferência de arquivos, correio eletrônico e login remoto: DNS (Sistema de Nomes de Domínio) é um sistema usado na Internet para converter os nomes de domínios e de seus nós de rede publicamente anunciados em endereços IP. WINS (Windows Internet Naming Service) é um padrão desenvolvido pela Microsoft para o Microsoft Windows NT que associa automaticamente estações de trabalho NT aos nomes de domínio na Internet. O arquivo HOSTS é um arquivo criado pelos administradores de rede e mantido nos servidores. Eles são usados para fornecer mapeamento estático entre os endereços IP e os nomes de computadores. POP3 (Post Office Protocol) é um padrão da Internet para armazenar o correio eletrônico em um servidor de correio até que você possa acessá-lo e fazer o download para o seu computador. Ele permite que os usuários recebam mensagens em suas caixas de entrada usando vários níveis de segurança. SMTP (Simple Mail Transport Protocol) rege a transmissão de correio eletrônico pelas redes de computadores. Não fornece suporte à transmissão de dados que não seja de texto puro.

6 SNMP (Simple Network Management Protocol) é um protocolo que fornece um meio de monitorar e controlar os dispositivos de rede e para gerenciar configurações, coleção de estatísticas, desempenho e segurança. FTP (File Transfer Protocol) é um serviço confiável orientado a conexão que usa o TCP para transferir arquivos entre sistemas que suportam o FTP. Ele suporta arquivo binário bidirecional e transferências de arquivo ASCII. TFTP (Trivial File Transfer Protocol) é um serviço não confiável sem conexão que usa o UDP para transferir arquivos entre sistemas que suportam o TFTP. Ele é útil em algumas LANs porque opera mais rapidamente que o FTP, em um ambiente estável. HTTP (Hypertext Transfer Protocol) é o padrão da Internet que suporta a troca de informações na World Wide Web, assim como nas redes internas. Ele suporta vários tipos diferentes de arquivos, incluindo texto, figura, som e vídeo. Ele define o processo pelo qual os navegadores da Web geram solicitações de informações para serem enviadas aos servidores da Web. Os protocolos/utilitários de solução de problemas Telnet é um protocolo de emulação de terminal cuja finalidade é criar conexões de terminal remotas com os serviços do servidor Telnet, permitindo que os usuários insiram comandos. PING (Packet Internet Groper) é um utilitário de diagnóstico usado para determinar se um computador está conectado corretamente à rede. Traceroute é um programa disponível em muitos sistemas e semelhante ao PING, exceto pelo fato do traceroute fornecer mais informações do que o PING. O traceroute traça o caminho que um pacote faz até o destino e é usado para depurar os problemas de roteamento. Existem também alguns utilitários baseados no Windows com os quais você deve estar familiarizado: NBTSTAT -- um utilitário usado para solucionar problemas de resolução de nome do NetBIOS; usado para visualizar e remover as entradas do cache de nomes de hosts. NETSTAT -- um utilitário que fornece informações sobre as estatísticas do TCP/IP; pode ser usado para fornecer informações sobre o status das conexões do TCP/IP e resumos do ICMP, TCP e UDP. ipconfig/winipcfg -- utilitários (Windows XP e 98, respectivamente) usados para visualizar as definições de rede atuais para todos os adaptadores ip (placa de rede) em um dispositivo; podem ser usados para visualizar o endereço MAC, o endereço IP e o gateway.

7 Protocolos da camada de Transporte (TCP e UDP): A camada de transporte também oferece dois protocolos: TCP -- um protocolo confiável, orientado para conexão; fornece controle de fluxo através de janelas móveis e a confiabilidade fornecendo números de seqüência e confirmações. O TCP envia novamente tudo que não é recebido e fornece um circuito virtual entre os aplicativos do usuário final. A vantagem do TCP é que ele oferece a entrega garantida dos segmentos. UDP -- sem conexão e não confiável; embora responsável pela transmissão de mensagens, não é oferecida nenhuma verificação de software para a entrega de segmentos nesta camada. A vantagem oferecida pelo UDP é a velocidade. Uma vez que o UDP não fornece confirmações, menos tráfego é enviado através da rede, tornando a transferência mais rápida. Os protocolos que usam UDP incluem TFTP, SNMP, NFS e DNS. (Sistema de Nomes de Domínio) -Source/Destination port: estes campos no cabeçalho TCP contêm os números de portas TCP que identificam os programas de aplicação dos extremos de uma conexão. A seguir, listamos alguns serviços TCP/IP e as portas nas quais eles atendem: Protocolo/serviço Porta HTTP 80 FTP 21 Telnet 23 DNS 53 SMTP 25 POP Sequence number (32 bits): identifica a posição no fluxo de bytes do segmento enviado pelo transmissor.

8 - Aknowledgement number (32 bits): se o bit de controle ACK está ligado, o campo tem o valor do próximo número de sequência cujo enviador do segmento está esperando receber. Os reconhecimentos sempre especificam o número do próximo byte que o receptor espera receber. - Offset: contém um inteiro que especifica o início da porção de dados do segmento (ou tamanho do cabeçalho em número de palavras de 32 bits). Este campo é necessário já que o campo Options varia em comprimento dependendo de quais opções tenham sido incluídas. Assim, o tamanho do cabeçalho TCP varia dependendo das opções selecionadas. - Reservd: reservado para uso futuro. - CODE (6 bits): determina o propósito e conteúdo do segmento, codificado assim (bits da esquerda p/ a direita): URG - Campo de ponteiro Urgente é válido ACK - Campo de Reconhecimento é válido PSH - Este segmento solicita um PUSH RST - Reset da conexão SYN - Sincroniza numeros de sequências FIN - O transmissor chega ao fim do fluxo de bytes. - Window: através deste campo o software TCP indica quantos dados ele tem capacidade de receber em seu buffer (número de octetos que o remetente está disposto a aceitar), começando pelo octeto indicado no campo Acknowledgement - Checksum: calculado utilizando o cabeçalho e o campo de dados, é usado para verificar a integridade tanto do cabeçalho como dos dados do segmento TCP. - Urgent Pointer: TCP através deste campo permite que o transmissor especifique que alguns dados são urgentes através do registro/informação do último byte desses dados. Isto significa que os dados serão expedidos tão rápido quanto seja possível. - Option + Padding: opções do protocolo TCP

9 - Length o comprimento (em octetos) do datagrama, incluindo cabeçalho e dados. O tamanho mínimo é 8 octetos (64 bits). - Estabelecimento da ligação/conexão: Tipicamente, numa ligação TCP existe aquele designado de servidor (que abre um socket e espera passivamente por ligações), num extremo, e o cliente no outro. O cliente inicia a ligação enviando um pacote TCP com a flag SYN activa e espera-se que o servidor aceite a ligação enviando um pacote SYN+ACK. Se, durante um determinado espaço de tempo, esse pacote não for recebido ocorre um timeout e o pacote SYN é reenviado. O estabelecimento da ligação é concluído por parte do cliente, confirmando a aceitação do servidor respondendo-lhe com um pacote ACK. Durante estas trocas, são trocados números de sequência iniciais (ISN) entre os interlocutores que irão servir para identificar os dados ao longo do fluxo, bem como servir de contador de bytes transmitidos durante a fase de transferência de dados (sessão). No final desta fase, o servidor inscreve o cliente como uma ligação estabelecida numa tabela própria que contém um limite de conexões, o backlog. No caso do backlog ficar preenchido a ligação é rejeitada ignorando (silenciosamente) todos os subsequentes pacotes SYN.

10 Para controlar o fluxo de dados entre os dispositivos, o TCP usa um mecanismo de controle de fluxo ponto a ponto. A camada TCP do host de recebimento relata um tamanho de janela à camada TCP do host de envio. O tamanho de janela especifica o número de bytes que o host de recebimento está atualmente preparado para receber. O tamanho da janela refere-se ao número de bytes que são transmitidos antes de se receber uma confirmação. Depois que um host transmitir o número de bytes do tamanho da janela, ele deverá receber uma confirmação antes de poder enviar mais mensagens. O tamanho da janela determina quantos octetos a estação destinatária pode aceitar de uma só vez. Com um tamanho de janela 1, cada segmento transporta apenas um byte de dados e deve ser confirmado antes que o próximo segmento seja transmitido. Isso resulta em uso ineficiente da largura de banda pelos hosts. Janela móvel do TCP : O TCP usa confirmações esperadas, o que significa que o número da confirmação refere-se ao octeto que é esperado em seguida. A parte móvel da janela móvel refere-se ao fato de que o tamanho da janela é negociado dinamicamente durante a sessão TCP. Uma janela móvel resulta em um uso mais eficiente da largura de banda pelo host porque um tamanho de janela maior permite que mais dados sejam transmitidos, dependendo da confirmação.

11 Números de porta: Tanto o TCP quanto o UDP usam números de porta (ou soquete) para passar informações às camadas superiores. Os números de porta são usados para controlar as diferentes conversações que cruzam a rede ao mesmo tempo. Os desenvolvedores de aplicativos de software concordaram em usar os números de portas bem conhecidos que estão definidos no RFC Por exemplo, toda conversação destinada ao aplicativo FTP usa o número de porta padrão 21. Conversações, que não envolvem aplicativos com números de portas bem conhecidos são, por sua vez, números de portas atribuídos que foram selecionados aleatoriamente dentro de uma faixa específica. Esses números de portas são usados como endereços de origem e destino no segmento TCP. Algumas portas são reservadas no TCP e no UDP, embora possa não haver aplicativos inscritos para suportá-las. Os números de portas têm os seguintes conjuntos atribuídos: Os números abaixo de 255 são para aplicativos públicos. Os números de 255 a 1023 são atribuídos a empresas para aplicativos que podem ser comercializados. Os números acima de 1023 não são regulamentados. Os sistemas terminais usam números de portas para selecionar os aplicativos corretos. Os números de porta de origem, normalmente alguns números maiores que 1023, são dinamicamente atribuídos pelo host de origem. A camada de rede Protocolos IP, ICMP e ARP (Tanenbaum, 5.6) A camada de Internet da pilha TCP/IP corresponde à camada de rede do modelo OSI. Ela é responsável por obter os pacotes através de uma rede usando o endereçamento de software. Vários protocolos operam na camada de Internet: IP fornece roteamento de entrega de datagramas por melhor esforço e sem conexão; não está preocupado com o conteúdo dos datagramas; procura uma forma de enviá-los ao seu destino ICMP fornece recursos de controle e de mensagem ARP determina o endereço da camada de enlace para endereços IP conhecidos RARP determina endereços de rede quando os endereços da camada de enlace são conhecidos

12 IP - Internet Protocol RFC 791 Esse protocolo foi introduzido na ARPANET no início dos anos 80, e tem sido utilizado juntamente com o TCP desde então. A principal característica desse protocolo é que a transmissão é efetuada sem a necessidade de uma conexão entre máquina fonte e máquina destino, sendo baseada no envio de datagramas que podem passar por muitas redes intermediárias até chegarem ao destino. Um datagrama IP consiste de um cabeçalho e uma área de dados. O cabeçalho ocupa uma área fixa de 20 bytes e uma área de tamanho variável (correspondente ao campo options). A seguir é visto o formato desse cabeçalho.

13 Version: 4 bits: contém a versão do protocolo IP à qual o datagrama pertence. Dessa forma, há a possibilidade de modificar o protocolo com a rede em funcionamento; IHL (IP Header Length): 4 bits: indica o número de palavras de 32 bits que existem no cabeçalho. O valor mínimo é 5; Type of service: indica a qualidade de serviço para o datagrama. Várias combinações de velocidade e segurança são possíveis. Para voz digitalizada, a velocidade é muito mais importante que segurança. Já para transferência de arquivos, uma transmissão com segurança é muito mais importante que a velocidade. Este campo está sendo cada vez mais utilizado atualmente, e foi renomeado para DS (Differentiated Services); Total length: indica o número total de bytes (octetos) existentes no datagrama (cabeçalho + dados). O tamanho máximo é bytes; Fragment ID: Se um roteador precisar fragmentar um datagrama, todos os seus fragmentos terão o mesmo valor de identificação, que é utilizado para a máquina destino identificar a qual datagrama pertence cada fragmento; DF: Don't Fragment - aviso para os roteadores não fragmentarem o datagrama, pois o destino não é capaz de remontá-los novamente. MF: More Fragments - todos os fragmentos, com exceção do último, devem possuir este bit ligado. Ele é utilizado juntamente com o campo total length para garantir que nenhum fragmento esteja faltando. Quando essa flag for 0, quer dizer que se trata do último fragmento (ou que o pacote não foi fragmentado). Fragment offset: indica a posição à qual pertence o fragmento atual. Todos fragmentos com exceção do último devem ser múltiplos de 8 bytes (unidade básica do fragmento). Como são utilizados 13 bits, há um máximo de 8192 fragmentos por datagrama, dando um tamanho máximo de bytes, coerentemente com o campo total length. Time to live: é um contador utilizado para limitar a vida dos pacotes. Quando ele chega a zero, o pacote é destruído. A unidade utilizada é segundo, e a máxima vida de um pacote é 255 segundos (na prática, é apenas um contador de saltos/hops). Protocol: este campo identifica o protocolo da camada de transporte ao qual esse datagrama está associado, sendo que o mais comum é o TCP (0x06) ou UDP (0x11); Header checksum: faz o controle de erros do cabeçalho. Soma de todos bytes deve dar zero. É modificado a cada hop, pois, pelo menos, o TTL se altera; Source address: indica o número da rede e número do host origem da mensagem; Destination address: indica o número da rede e número do host destino da mensagem; Options: é utilizado para controle de segurança, roteamento, relatório de erros, depuração, informação de hora, etc. Basicamente, foi proposto para permitir a evolução do protocolo através deste campo variável. ICMP Internet Control Message Protocol Todos os hosts TCP/IP implementam o ICMP. As mensagens do ICMP são carregadas nos datagramas IP e são usadas para enviar mensagens de erro e de controle. O ICMP usa os tipos de mensagens definidas a seguir. Exitem outras mensagens que não estão incluídas nesta lista: Destination Unreachable - destino não alcançável Time to Live Exceeded - tempo de vida excedido Parameter Problem - problema com parâmetro

14 Source Quench - origem extinta Redirect - redirecionar Echo Request requisição de eco Echo Reply - resposta de eco Timestamp Timestamp Reply Information Request - requisição de informação Information Reply - resposta de informação Address Request - requisição de endereço Address Reply - resposta de endereço O formato de uma mensagem ICMP é mostrado acima. O campo Type identifica o tipo da mensagem. O campo Code identifica o código da mensagem de erro. O campo de dados traz, por exemplo, uma porção do pacote original que resultou em erro. A figura abaixo mostra o encapsulamento do ICMP sobre Ethernet usando um cabeçalho de camada de rede, um cabeçalho Ethernet e um trailer contendo um checksum de 32 bits: Encapsulation for a complete ICMP packet (not showing the Ethernet preamble) ARP: Address Resolution Protocol O protocolo de resolução de endereços ARP (Address Resolution Protocol) é utilizado para o mapeamento do endereço IP em números MAC. Quando inicializadas, as estações não possuem uma tabela de endereços IP x endereço físico armazenada. Em vez disso, para cada endereço IP solicitado que não esteja na tabela da estação, o protocolo ARP manda um pedido via broadcast de nível 2 para o endereço IP determinado. O destinatário que tiver tal endereço IP responde à máquina solicitante seu endereço físico. Nessa ocasião, tanto a tabela da máquina origem quanto a da máquina destinatária são atualizadas com os endereços. O endereço de hardware e o endereço IP do computador então é armazenado no cache do ARP para uso futuro. Para ver o cache, pode-se utilizar o comando arp a.

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