Internet e TCP/IP. Camada de Rede: Objetivos. Encapsulamento. Redes de Computadores. Internet TCP/IP. Conceitos Básicos Endereçamento IP

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1 Camada de Rede Reinaldo Gomes Redes de Computadores Conceitos Básicos Endereçamento IP Internet e TCP/IP Internet Conjunto de redes de escala mundial, ligadas pelo protocolo IP TCP/IP Família de protocolos de comunicação Serviços e acesso independente de tecnologia Permite a interconexão de redes físicas diferentes Interconexão realizada por roteadores Protocolo IP Não orientado a conexão, roteamento melhor esforço Não confiável, sem controle de fluxo e de erros simples Roteamento baseado no endereço da rede de destino Internet ou internet? Arquitetura TCP/IP TCP/IP = família de protocolos DNS SNMP DHCP NFS OSPF FTP HTTP SSH SMTP APLICAÇÃO UDP SCTP RTP TCP TRANSPORTE ARP IGMP IP ICMP RARP INTER-REDES ETHERNET, PPP, TOKEN RING, FDDI, X.25, ATM, SNA, ,... ENLACE-FÍSICO Encapsulamento Camada de Rede: Objetivos Transferência de pacotes da origem para o destino CABEÇALHO TCP CABEÇALHO CABEÇALHO IP TCP DADOS DADOS DADOS Pacote da Aplicação Pacote TCP Pacote IP Vários saltos (hops) intermediários no caminho Elementos de rede: roteadores ou comutadores Principal função: roteamento (encaminhamento) CABEÇALHO CABEÇALHO CABEÇALHO ETHERNET IP TCP DADOS RODAPÉ ETHERNET Pacote Ethernet Outras funções Controle de Congestionamento Negociação de QoS Interconexão de redes 1

2 A camada de Rede Transporta segmentos do host transmissor para o receptor No lado transmissor, encapsula os segmentos em datagramas No ld lado receptor, entrega os segmentos à camada de transporte Protocolos da camada de rede em cada host roteador Roteador examina campos de cabeçalho em todos os datagramas IP que passam por ele Roteamento e Encaminhamento Roteamento: estabelecimento dos melhores caminhos (rotas) Encaminhamento: processo de despachar cada pacote ao seu destino ou sistema intermediário Entrada Plano de controle Plano de encaminhamento Tabela de Roteamento Mecanismos de Encaminhamento de Pacotes Protocolo de Roteamento Saída Questões de projeto Serviços oferecidos à camada de Transporte Devem ser independentes da tecnologia da sub-rede Proteção contra tipo, quantidade e topologia das sub- redes Endereços devem ter plano de numeração único Tipos de Serviço Orientado a conexão Sem conexão Organização Interna Circuitos Virtuais (CVs) Analogia aos circuitos físicos da rede telefônica Rede complexa e segura Geralmente orientada a conexões (conexões na camada de rede são geralmente chamadas de circuitos it virtuais) i Ex.: Redes ATM Datagramas Analogia com o serviço de telegramas Rede simples e não confiável Geralmente é não orientada a conexões (mas pode ser) Ex.: Internet Circuitos Virtuais Usado para estabelecer, manter e encerrar conexões Usados em ATM, frame-relay e X-25 Não é usado na Internet atualmente Rede de Datagrama Não é estabelecida conexão na camada de rede Roteadores: sem estado sobre conexões fim-a-fim O conceito conexão não existe na camada de rede Pacotes são encaminhados para o endereço do host de destino Pacotes para o mesmo destino podem seguir diferentes rotas 2

3 Circuito Virtual X Datagrama Roteamento Questão de Circuito Endereçamento Informação de Estado Roteamento Efeito de falhas do roteador Controle de congestionamento Subrede de Datagrama Não necessária Cada pacote contém endereços da fonte e do destino Subrede não mantém informação de estado Cada pacote é roteado independentemente Nenhuma, exceto a perda de pacotes durante a falha Difícil Subrede de Circuito Virtual (VC) Requerida Cada pacote contém um número de CV Cada CV requer espaço na tabela da subrede Rota escolhida quando CV é configurado; todos os pacotes seguem esta rota Todos os CVs que passam pelo roteador com falha são Terminados Fácil se memória suficiente tiver sido alocada a priori para cada CV Algoritmo de roteamento Parte da camada de rede responsável pela decisão sobre a linha de saída para a transmissão de um pacote Pode ser implementado por um protocolo de roteamento, ou executado de maneira estática Protocolo de roteamento Software utilizado pelos roteadores para que eles estabeleçam tabelas de roteamento consistentes Qualquer protocolo de roteamento deve comunicar informação da topologia da rede para todos os outros roteadores, para tomar decisões de roteamento Roteamento Requisitos dos Protocolos de Roteamento Datagramas Decisão de roteamento deve ser tomada a cada pacote Circuitos Virtuais Decisão de roteamento é tomada somente no estabelecimento da conexão Também chamado de roteamento por sessão (session) Minimizar o tamanho da tabela de roteamento Tamanho pode inviabilizar implementação eficiente Minimizar as mensagens de controle Podem prejudicar desempenho da rede Robustez Usar caminhos ótimos Escolher o melhor caminho Classes de Algoritmos de Roteamento A camada de Rede Não adaptativo (estático) Decisão do roteamento não é baseada em estimativas de tráfego atual e da topologia Adaptativo (dinâmico) Muda decisões de roteamento para refletir mudanças na topologia, bem como, no tráfego Métricas Custo, caminho, carga, tamanho da fila Camada de rede Entidade de rede em roteadores ou hospedeiros: Prot. de roteamento Escolha de caminhos RIP, OSPF, BGP Camada de Transporte: TCP, UDP Tabela de rotas Protocolo IP Endereçamento Formato dos datagramas Tratamento de pacotes Protocolo ICMP Aviso de erros Sinalização de rotas Camada de enlace Camada física 3

4 Cabeçalho IP Cabeçalho IP versão do protocolo IP tamanho do header (bytes) classe de serviço número máximo de saltos (decrementado em cada roteador) protocolo da camada superior com dados no datagrama 32 bits ver head. type of len service length 16-bit identifier flgs fragment offset time to proto- Internet live colo checksum 32 bit endereço IP de origem 32 bit endereço IP de destino Opções (se houver) data (tamanho variável, tipicamente um segmento TCP ou UDP) tamanho total do datagrama (bytes) para fragmentação/ remontagem Ex.: marca de tempo, registro de rota, lista de roteadores a visitar Campos do cabeçalho IP Campos do cabeçalho IP Campo Bits Descrição Version 4 Identifica a versão do protocolo IP (IPv4, IPv6) Header Length 4 Tamanho do cabeçalho (deve ser múltiplo de 32 bits). Se for 20 bytes, deve indicar 5 (5 32 = 160 bits, ou 20 bytes). Type-of-Service 8 Para permitir priorização de pacotes, dependendo da aplicação. Flags Total Packet Length 16 Tamanho total do pacote em bytes, incluindo cabeçalho e dados Identifier 16 Identifica partes de um pacote fragmentado, para ajudar remontagem ation Flags 3 Informações e controle sobre fragmentação (ex: instrução para roteadores não fragmentarem o pacote) ation Offset 13 Posição dos dados deste pacote (fragmentado) em relação ao pacote original (não fragmentado). Múltiplo de 8 bytes. Campo Bits Descrição Time-to-Live 8 Indica o número restante de hops que o pacote pode seguir antes de ser considerado inválido e descartado. Protocol Identifier 8 Identifica o protocolo da camada superior, contido no corpo do pacote. Header Checksum 16 Checksum do cabeçalho IP Source IP Address 32 Endereço IP do remetente do pacote Destination IP 32 Endereço IP do destinatário do pacote Address Options (optional) varia Opções adicionais para type-of-service, Source Routing, Timestamp etc. Raramente usado. Padding (if required) varia Se um pacote não for múltiplo de 32 bits, informações nulas são adicionadas para completar o tamanho. Data varia Os dados que o IP deverá carregar (TCP, UDP, o, outros protocolos, dados puros ICMP,...) ação e remontagem MTU - Maximum Transmit Unit é o tamanho máximo que um pacote pode ter MTU é padronizado de acordo com a interface física Cada roteador deve fragmentar o pacote antes de encaminhá-lo para uma interface, no caso do tamanho original ser maior que o MTU Topology MTU (in bytes) Defined By Hyperchannel 65,535 RFC MB/s Token Ring 17,914 IBM Token Bus 8,166 RFC MBs Token Ring 4,464 RFC 1042 FDDI 4,352 RFC 1390 DIX Ethernet 1,500 RFC 894 Point-to-Point Protocol (PPP) 1,500 RFC Ethernet 1,492 RFC 1042 Serial-Line IP (SLIP) 1,006 RFC 1055 X.25 & ISDN 576 RFC 1356 ARCnet 508 RFC 1051 ação e remontagem Identifier Reserved Flag May Flag More Flags Exemplo: Pacote original tem tamanho total 4464 e será encaminhado por uma interface Ethernet Deverá ser fragmentado Offset Packet Length , , ,

5 ação e remontagem Identifier Reserved Flag May Flag More Flags Offset Packet Length , , , Cada fragmento pertence a um mesmo pacote original (mesmo valor no campo ation ti Identifier) O primeiro bit do campo "Flags" deve ser 0 (reservado) os não podem novamente ser fragmentados, logo "May " deve ser 0. O flag "More s" indica se existe mais fragmentos adiante 1o. fragmento " Offset" = 0, tam=1500 ( ) bytes 2o. fragmento " Offset" = 185 (1480/8), tam=1500 3o. fragmento " Offset" = 370 ((1480 2)/8), tam=1500 4o. fragmento " Offset" = 555 ((1480 3)/8), tam=24 (20+4) Endereçamento IP Classes de Endereços IP Endereços IP Classe A 8 bits Network ID 0 16 bits 24 bits Host ID 16 bits 2 7 =128 redes = hosts Endereço IP Classe B 1 0 Network ID Host ID 2 14 = redes = hosts Classe C 24 bits 8 bits Network ID Host ID w x y z 2 21 = redes 2 8-2=254 hosts Network ID Host ID Endereços especiais Subredes privadas Não podem ser publicados na Internet 10.x.x.x (classe A) x.x x.x (classe B) x.x (classe C) Endereços especiais este host host 124 nesta rede todos os hosts desta rede N.N.N.255 todos os hosts da rede N.N.N 127.X.X.X Loopback Alguns endereços inválidos para hosts IP do host não pode ser IP do host não pode ser Subrede não pode ter valor Parte do endereço não pode ter valor Parte do endereço não pode ter valor Parte do endereço não pode ter valor 255 Máscara de subrede A máscara serve para indicar qual parte do endereço IP identifica o endereço de rede e qual parte identifica o endereço do host os bits 1 indicam a parte do endereço da rede os bits 0 indicam a parte do endereço do host Máscaras default: Classe A Classe B Classe C Executa-se um AND lógico entre os bits da máscara e endereço IP e obtém o Network Address No endereço da rede todos os bits do host são 0 No endereço de broadcast, todos os bits do host são 1 Exemplo: Endereço IP Máscara classe B Network Address Network Broadcast 5

6 Máscaras de Subrede Máscaras de Subrede Máscara de subrede Endereço IP Endereço IP Máscara de subrede Identificação da rede Identificação da rede Identificação do Host Identificando a Rede e o Host Classe A Máscaras de Subrede Máscaras de Subrede Endereço IP Máscara de subrede Identificação da rede Endereço IP Máscara de subrede Identificação da rede Classe B Classe C Determinando hosts locais e remotos Determinando hosts locais e remotos 1 Exemplo Exemplo 2 2 A Hosts A e B são locais D A Hosts A e D são remotos D B E B E C Subnet Mask F C Subnet Mask F 6

7 Atribuindo endereços das redes Atribuindo endereços dos hosts Subredes Dividindo um Classe C em 2 subredes Internet Hub Tráfego para a rede Rede /24 Máscara= Exemplo: Rede Com máscara de subrede Mascara = subrede, notação /24 Network from Hosts to Broadcast Address Rede com máscara de subrede Mascara = subredes, notação /25 Network Hosts from to Broadcast Address Dividindo um Classe C em 4 subredes Rede com máscara de subrede Mascara = subredes, notação /26 Calculando subredes Na Internet: Localmente: File://netcalc.htm e// ecac Hosts Network from to Broadcast Address

8 Subredes Internet Tráfego para a rede Configurando o Protocolo IP Caso Windows Hub Hub MASK= Rede /26 MASK= Rede /26 Alguns Atributos do IP Endereço IP Máscara Gateway Servidor de DNS Nome do computador (host) Nome do domínio Alguns Atributos do IP Endereço IP Identifica a interface de rede de maneira única Cada computador (host) pode ter mais de uma interface Máscara Identifica a classe do endereço IP (A, B, C) Classe C é a mais comum Detalhes no tópico endereçamento IP Gateway (router) O roteador padrão da rede local onde está o seu host Quando o IP não sabe como rotear um pacote IP, envia para o gateway Alguns Atributos do IP Servidor de DNS O endereço do host onde roda o servidor de nomes (Domain Name Service) Servidor DNS transforma nomes em endereços IP Exemplo: Nome do host e Nome do domínio O nome do domínio onde está o seu host Exemplo: o host www na rede pertencente ao domínio cefet-al.br Acessado como IP IP estático Administrador de rede precisa ajustar manualmente os atributos IP em cada host Endereço IP, Gateway, DNS server, máscara, nome do domínio O que acontece se o endereço DNS ou do gateway mudarem? IP automática Usada principalmente para simplificar instalação e manutenção de redes Cada host obtém um contexto TCP/IP quando se conecta Endereço IP, DNS, máscara de rede, gateway,... tem um tempo de vida Usa o modelo Client/Server Usa o Dynamic Host Configuration Protocol - DHCP Cliente faz um broadcast MAC para achar servidores 8

9 IP Problema da configuração IP estático Exemplo: IP duplicado Dois ou mais hosts são configurados com o mesmo IP O primeiro que for ligado consegue o IP Os demais mostram erro e desabilitam o protocolo IP Como o IP sabe que o número já está sendo usado? Resposta: usa o ARP para saber quem tem aquele IP antes de configurar a interface TCP/IP Manual X Automática Manual Desvantagens Endereço IP é digitado em cada computador Possibilidade de configurar IP inválido ou incorreto incorreta pode levar a problemas de comunicação na rede Sobrecarga de suporte de rede quando computadores são movidos para outra subrede Automática DHCP Vantagens Endereço IP fornecido automaticamente pelo servidor Garante que cada cliente vai usar um IP correto Eliminação dessa fonte comum de problemas é atualizada automaticamente para refletir a mudança na rede IP Estático no Windows 1 Iniciar Configurações Painel de controle Rede Escolhe o IP ligado à interface desejada Clica no botão Propriedades IP Estático no Windows 2 Especificar o endereço manualmente Máscara indicada conforme a classe do endereço IP Classe A Classe B Classe C IP Estático no Windows 3 Indicar o gateway Pode haver mais de um, como redundância em caso de falha. IP Estático no Windows 4 Indicar o servidor DNS Pode haver mais de um, como redundância em caso de falha. Lista de gateways disponíveis Lista de servidores DNS disponíveis 9

10 Consultando a configuração IP 1 Comando WINIPCFG na janela MS-DOS ou menu Iniciar Executar Escolha a interface na lista, quando há mais de uma IP é estático (não há servidor DHCP) Consultando a configuração IP 2 Comando IPCONFIG na janela MS-DOS ou menu Iniciar Executar Command Prompt C:\>ipconfig de IP do Windows 98 0 Ethernet adaptador : Endereço IP : Máscara de sub-rede.... : Gateway padrão : 1 Ethernet adaptador : Endereço IP : Máscara de sub-rede.... : Gateway padrão : C:\> IP Dinâmico no Windows Como funciona o DHCP O Windows usa o DHCP para obter um endereço IP automaticamente Cliente A: IP estática Cliente B: dinâmica via DHCP Endereço IP 1 Máscara, Gateway, Servidor DNS, nome do domínio são obtidos do servidor DHCP Têm um prazo para expirar, mas pode ser renovado. Cliente C: dinâmica via DHCP DHCP Database próximo Endereço IP 1 próximo Endereço IP 2 Endereço IP 3 DHCP Server Como funciona o DHCP DHCP o que acontece na rede Cliente A: IP estática Cliente B: dinâmica via DHCP Endereço IP 1 Server A Determina configuração Client DHCPDISCOVER DHCPDISCOVER DHCPOFFER DHCPOFFER Seleciona configuração Server B Determina configuração Cliente C: dinâmica via DHCP Endereço IP 2 TEMPO DHCPREQUEST (reject) DHCPREQUEST (select) DHCPACK Confirma configuração próximo próximo DHCP Database Endereço IP 1 Endereço IP 2 Endereço IP 3 DHCP Server Release DHCPRELEASE Apaga contexto 10

11 DHCP: Alguns Problemas Segurança: Mensagens não são autenticadas Alguém pode forjar um DHCP server ou um cliente Cliente não pode confiar no servidor e vice-versa : Para redes com mais de um servidor Servidores na rede não podem trocar informações Não existe um protocolo server-server Devem ter espaços de endereçamento disjuntos para evitar distribuição de IP duplicados Servidores são configurados manualmente Mas aí voce já está querendo demais 11

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