INTERNET PROTOCOLO VERSÃO 4 PARA INTERNET PROTOCOLO VERSÃO 6

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1 CENTRO UNIVERSITÁRIO DO TRIÂNGULO INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS BACHARELADO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO INTERNET PROTOCOLO VERSÃO 4 PARA INTERNET PROTOCOLO VERSÃO 6 ALESSANDRA BOAVENTURA RABELO Uberlândia, Dezembro/1998

2 CENTRO UNIVERSITÁRIO DO TRIÂNGULO INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS BACHARELADO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO ALESSANDRA BOAVENTURA RABELO INTERNET PROTOCOLO VERSÃO 4 PARA INTERNET PROTOCOLO VERSÃO 6 Monografia apresentada ao Curso de Ciência da Computação do Centro Universitário do Triângulo, como requisito básico à obtenção do grau de Bacharel em Ciência da Computação, sob a orientação do Prof. Henrique Barbosa Leite Uberlândia, Dezembro/1998 INTERNET PROTOCOLO VERSÃO 4 PARA INTERNET PROTOCOLO VERSÃO 6

3 ALESSANDRA BOAVENTURA RABELO Monografia apresentada ao Curso de Ciência da Computação do Centro Universitário do Triângulo, como requisito básico à obtenção do grau de Bacharel em Ciência da Computação. Henrique Barbosa Leite, Msc. (Orientador) Marcos Rezende, Msc. (Coordenador) Marcelo Rodrigues de Sousa, Msc. (Avaliador) Aléx Dias, Msc. (Avaliador) Uberlândia, Dezembro/1998

4 SUMÁRIO Resumo Introdução Arquitetura Internetworking Breve história da Internet Protocolos da Internet e seus padrões Conceitos e aplicações da arquitetura internet Arquiteturas TCP/IP e as demais O Internet Protocol (IP) IP Riscos de Segurança Conclusão Endereçamento internet Intercomunicabilidade Centro de Informação de Rede Classes do endereçamento Rede de Classe A Rede de Classe B Rede de Classe C Rede de Classe D Rede de Classe E Sub-redes Endereços Unicast Endereços Multicast Endereços Broadcasting Desvantagens do Endereçamento IP Conclusão Protocolo IPv Encapsulamento de datagrama...

5 4.2 Unidade máxima de transmissão Fragmentação e montagem do datagrama IP Roteamento de datagramas IP Inconvenientes das tabelas de roteamento Internet Message Control Protocol ( ICMP ) Principais tipos de mensagens de erro Conclusão A nova versão do protocolo IP Objetivos da nova versão Tipos de endereços Endereços Unicast Endereços Anycast Endereços Multicast Novo formato Formato da base do cabeçalho IPv Descrição dos campos Novas Funcionalidades Autoconfiguração Qualidade de serviços Prioridade Cabeçalhos de Extensão Cabeçalhos Hop-by-Hop e destino Cabeçalho de fragmentação Cabeçalho genérico de roteamento Cabeçalho de roteamento tipo Segurança Autoconfiguração Autenticação...

6 5.5.8 Roteamento IPv Suporte a serviços em tempo real Suporte a multiprotocolos e mobilidade Protocolo de Controle de Mensagens Internet Conclusão Considerações para a migração Transição IPv4 / IPv Mecanismos desenvolvidos para a migração Conclusão Conclusão... Bibliografia... Referências Bibliografias... Apêndice A... Apêndice B... Resumo O Internet Protocol (IP) é um protocolo que faz a entrega de datagramas sem conexão, não garantindo a entrega, nem a ordem de envio. Possibilita a comunicação entre máquinas completamente diferentes, ou seja com hardwares e softwares distintos. O datagrama IP atual (IPv4), não necessita de conexão, não possibilita qualquer garantia de entrega através de mecanismos internos. E apesar de não garantir a segurança é o protocolo mais utilizado atualmente, adotado comercialmente por diversos ambientes e aceito por vários seguimentos da sociedade. O crescimento exponencial apresentado pela rede Internet, uma estrutura cliente-servidor muito robusta, leva seus projetistas a novos estudos para melhorar, oferecer melhores serviços, novas tecnologias são incluídas e as antigas ou se adaptam a elas ou tornam-se obsoletas. O uso da nova versão do protocolo (IPv6 - Internet Protocol Versão 6) é que dará suporte ao crescimento da rede Internet, ao aumento das funcionalidades e a novas aplicações. E de certa forma lança um enorme desafio, que é a interoperabilidade entre as duas versões, abrindo um vasto campo de investigação e desenvolvimento tecnológico. O estudo de mecanismos e protocolos de endereçamento, encaminhamento, qualidade de serviço, segurança e gestão é feito visando o funcionamento em ambientes IPv6. A avaliação do desempenho e funcionalidade de diferentes soluções, a capacidade de acomodar o crescimento das redes, o aumento do leque de aplicações, e a transição entre protocolos altamente

7 utilizados e novos e ainda em desenvolvimento, constitui um desafio técnico-científico que será, alvo de uma grande e importante pesquisa científica e técnica internacional. Este trabalho tem como principal objetivo mostrar o protocolo mais usado atualmente, e o seu possível sucessor.

8 1. Introdução A comunicação é uma das maiores necessidades da sociedade humana desde os primórdios de sua existência. Conforme civilizações se espalhavam, ocupando áreas cada vez mais dispersas geograficamente, a comunicação a longa distância se tornava cada vez mais uma necessidade e um desafio. Formas de comunicação através de sinais de fumaça ou pombos-correio foram as maneiras encontradas por nossos ancestrais para tentar aproximar as comunidades distantes. (Soares, Lemos e Colcher, 1995). Com o passar dos tempos o sistema de comunicação foi mudando, ou seja modernizando-se e atualmente a mesma é feita de uma forma nunca imaginada pelos nossos ancestrais. Primeiro foram os telégrafos utilizados no século XIX, que codificavam mensagens em cadeias de símbolos binários, e então eram transmitidas manualmente por um operador através de um dispositivo gerador de pulsos elétricos. Desde esta época a comunicação sofreu muita evolução dando origem a dispositivos como: telefone, rádio, televisão. Esta evolução deu-se também de uma forma surpreendente, nos equipamentos de processamento e armazenamento de informações. E a conjunção entre estas duas tecnologias - comunicação e processamento de informação - abriu definitivamente as portas para as novas formas de comunicação existentes atualmente. Com o advento da computação obteve-se muitas facilidades, que gerarão ao mesmo tempo grandes dificuldades e limitações tecnológicas. Usávamos sistemas computacionais centralizados que apresentavam uma grande dificuldade de interligação entre os diferentes ambientes. A técnica de comunicação de dados a distância (teleprocessamento), veio para difundir as facilidades computacionais, mas continuávamos com o problema de interligação entre as diversas tecnologias. Temos dois aspéctos importantes no que diz respeito a evolução tecnológica, o primeiro foi o lançamento do Personal Computer (PC), que contou na época com uma demanda de usuários surpreendente. O segundo foi o advento das Redes Locais (LANs), que necessitavam de interconexão entre si ou entre ambientes de grande porte. Em resposta as necessidades de comunicação e troca de dados, deu-se o inicio ao projeto da Internet, pela Agência de Projetos e Pesquisas Avançadas de Defesa, que desenvolveu um conjunto de protocolos para tratar informações transportadas, sem dependência do tipo de hardware, dados roteados entre as redes e com transparência quanto ao tipo de aplicação.

9 Eis que surge então a tecnologia Internetworking, que veio com intuito de interconectar diversas redes físicas, com diferentes características, de forma transparente e com uma arquitetura não proprietária. Os protocolos responsáveis pela flexibilidade e operacionalidade da arquitetura são o TCP (Transmission Control Protocol) e o IP (Internet Protocol), conhecidos como arquitetura TCP/IP, arquitetura atualmente adotada comercialmente por vários ambientes como UNIX, NOVELL, WINDOWS NT, OS/2 e aceita pelos vários segmentos da sociedade. Arquitetura esta que permite o compartilhamento de informações e interligando milhares de organizações militares, educacionais, científicas e comerciais que compartilham dados, correio eletrônico ( ), e outros serviços, fazendo com que muitas pessoas e organizações dependam desta tecnologia. Com uma estrutura cliente-servidor (client-server) muito robusta, especialmente em se tratando de WAN (wide-area network ou redes de longo alcance), inclui uma série de padrões que especificam como os computadores vão se comunicar, cria convenções para a interconexão de redes e para o roteamento através dessas conexões. A implementação de redes corporativas nas empresas é um assunto complexo, devido à grande quantidade de componentes e diversas tecnologias existentes. A escolha da melhor tecnologia, para atender uma determinada necessidade, requer análises, projetos e testes daqueles que são responsáveis por áreas tecnológicas. Considerando que a integração entre as empresas, através de redes de telecomunicações aplicadas à informática, é fundamental no contexto atual de globalização de mercado. (Sousa, 1996). Com este trabalho tenho o objetivo de mostrar o protocolo mais usado atualmente para este fim. Na Internet, um mundo muito dinâmico, onde novas tecnologias são incluídas e as antigas ou se adaptam a elas ou tornam-se obsoletas, o protocolo usado atualmente é o IPv4, que conseguiu acomodar todas as mudanças, tornando-se cada vez mais popular. Em 1991, membros do IETF (Internet Engineering Task Force), concluem que o crescimento exponencial apresentado pela rede esgotaria em breve os endereços disponíveis. Deu-se o início dos estudos para desenvolver um sucessor para o IPv4. Após avaliações são selecionados três possíveis candidatos, a partir destas três propostas são selecionados os pontos positivos e gerarada a recomendação para a versão 6 do IP. De lá para cá várias Drafts, RFCs foram publicadas, e já existem algumas implementadas ou em funcionamento. O fenômeno do crescimento exerce uma pressão muito grande e constante sobre a infra-estrutura da Internet. Obrigando uma reestruturação, melhora de desempenho, segurança, facilidades para o usuário na

10 configuração e administração de redes. Com a implementação da nova versão do protocolo teremos mais espaço de endereçamento, mais níveis de hierarquia, maior número de nodos endereçáveis, autoconfiguração destes nodos, compatibilidade e interoperabilidade com a antiga versão. Uma das características obrigatórias para a implementação do novo protocolo é a chamada flexibilidade que permite a inclusão de cabeçalhos de suporte para autenticação, integridade de dados e confiabilidade. Estas características, possibilitam facilidades muito grandes no que se refere a implementações futuras. A nova versão do protocolo reflete o amadurecimento da tecnologia de redes, e o novo protocolo tem em vista uma verdadeira rede mundial com múltiplos usos. Acredita-se atualmente que o uso do novo protocolo e uma reestruturação da Internet solucione boa parte dos problemas atualmente enfrentados pelos usuários. Estima-se que o processo de migração seja simples e claro para os usuários da rede. Mas quando consideramos o número de usuários que dependem desta rede encontramos um ponto muito sério no que diz respeito a migração. Notamos que o número de nodos conectados torna impossível e inviável uma migração simultânea total, pois para que isto ocorra seria preciso que a rede ficasse totalmente fora do ar por um determinado tempo. Os usuários não estão dispostos a este sacrifício, o que é totalmente compreensível, se considerarmos que alguns dependem totalmente desta rede. Fica mas fácil visualizar a migração ao considerarmos a compatibilidade disponibilizada pela nova versão. Mas devemos considerar também que uma alteração no protocolo pode trazer problemas para as aplicações pré existentes. Solucionando-se estes problemas temos atualmente duas formas interessantes para a migração do protocolo, que são: manter as duas versões e o uso de túneis de endereçamento. Roteadores e máquinas podem atualizar seu protocolo, sem obrigar todos os usuários da rede a fazerem o mesmo. Com a única restrição de que os servidores de DNS tenham sua versão atualizada antes. A popularidade do atual protocolo pode trazer sérios problemas no que se refere a uma migração, pois isto contribui para que uma substituição seja encarada como algo perigoso, ou seja podem ocorrer críticas, ou até mesmo boicotes. Tem uma frase que reflete perfeitamente este sentimento: Se está funcionando, não devíamos mudar. Espera-se que novas funcionalidades, facilidades e serviços venham para extinguir estes pensamentos. Acredita-se que o chamado custo benefício tende a ser um bom estímulo para a migração.

11 Benefícios como: suporte a bilhões de hosts, redução das tabelas de roteamento, possibilidade de expansão (cabeçalhos de extensão), garantias de segurança (autenticação e privacidade), permissão de multicast, autoconfiguração, permissão para que uma máquina mude de lugar fisicamente e não altere seu endereço, criação do conceito de cabeçalhos opcionais, suporte a serviços em tempo real, etc. A autoconfiguração é uma melhoria que deve ser levada em conta, pois ao possibilitar plug-and-play de máquinas a nova versão minimiza a intervenção humana no processo de configuração da rede, o que serve para minimizar ou até extinguir a possibilidade de ocorrência de erros. Esta autoconfiguração será de grande importância no que diz respeito a computação móvel. Este trabalho tem como objetivo mostrar a evolução sofrida pelo Protocolo Internet (IP), desde a sua criação até os dias de hoje dando ênfase aos seus pontos fortes e fracos, bem como mostrando alterações sofridas pelo mesmo. Mostra também o porque de uma nova versão que solucione problemas relacionados às limitações encontradas. O que serve de suporte às grandes mudanças é acreditar que estas serão válidas, não se pode melhorar se não tentamos. As mudanças seriam inúteis e incoerentes se não estivéssemos dispostos a aceitá-las e adotá-las. Este trabalho se encontra dividido em seis capítulos, sumarizados a seguir: Capítulo 2 - Arquitetura Internetworking - Breve introdução a internet, seus protocolos e problemas enfrentados. Capítulo 3 - Endereçamento Internet - Modos de endereçamento de datagramas (pacotes) usados na internet, dificuldades, facilidades, vantagens e desvantagens deste endereçamento. Capítulo 4 - Protocolo IPv4 - Atual arquitetura adotada comercialmente por diversos ambientes e aceita por vários seguimentos da sociedade, descrito detalhadamente. Capítulo 5 - A nova versão do protocolo IP - Detalha o possível protocolo a substituir o atual, mostrando que o custo benefício apresentado é favorável à migração. Capítulo 6 - Considerações para a migração - Antes de se pensar em mudança devemos considerar alguns fatores que são levantados neste capítulo.

12 2. Arquitetura Internetworking Este capítulo nos mostra uma breve história sobre a internet, os protocolos que a sustentam, seus pontos fracos e fortes, o modo em que afetam a comunicação e a troca de dados e informações usando esta rede que cresce de forma assustadora e requer uma atenção cada vez mais especial. 2.1 Breve história da Internet Ao falarmos da história da Internet, temos que dar ênfase ao crescimento exponencial apresentado por esta rede mundial, que tem levado diferentes segmentos da sociedade à obtenção de muitas facilidades e ao mesmo tempo grandes dificuldades e limitações relacionadas a esta explosão de crescimento tecnológico. Inicialmente sistemas computacionais eram centralizados e havia uma grande dificuldade para interligar os diferentes ambientes. Com o surgimento do teleprocessamento, técnica de comunicação de dados a distância, obteve-se uma difusão das facilidades computacionais. Mas ainda encontrávamos uma grande dificuldade para interligar divers[m1] as redes de teleprocessamento com seus diversos protocolos e diferentes arquiteturas. Um aspecto muito importante no que diz respeito a esta evolução tecnológica, foi o lançamento do Personal Computer (PC), que contou com uma demanda de usuários surpreendente. Outro aspécto muito importânte foi o advento das Redes Locais (LANs), que necessitavam de interconexão entre si ou entre ambientes de grande porte. Em resposta as necessidades de comunicação e troca de dados, deu-se o início do projeto da Internet, pela Agência de Projetos e Pesquisas Avançadas de Defesa (DARPA - Defence Advanced Reserch Projects Agency, órgão do departamento de defesa dos EUA). O DARPA desenvolveu um conjunto de protocolos para tratar informações transportadas, sem dependência do tipo de hardware, dados roteados entre as redes e com transparência quanto ao tipo de aplicação. Temos então o surgimento da tecnologia Internetworking (Internetting), que vem fazer a interconexão de

13 diversas redes físicas com características diferentes. Esta interconexão é feita de forma transparente ao usuário, com especificações públicas e genéricas permitindo a implementação por vários fabricantes, ou seja sem compromisso com fabricante específico (arquitetura não proprietária). Isto faz com que do ponto de vista do usuário a Internet seja vista como um conjunto de softwares aplicativos que lhe possibilita a comunicação com vários sistemas computacionais, sem se preocupar se são compatíveis ou não. Os protocolos responsáveis pela flexibilidade e operacionalidade da arquitetura são o TCP (Transmission Control Protocol) e o IP (Internet Protocol), conhecidos como arquitetura TCP/IP. Esta arquitetura é atualmente adotada comercialmente por vários ambientes como UNIX, NOVELL, WINDOWS NT, OS/2 e aceita pelos vários segmentos da sociedade, permitindo assim o compartilhamento de informações e interligando milhares de organizações militares, educacionais, científicas e comerciais que compartilham dados, correio eletrônico ( ), e outros serviços. O que faz com que atualmente muitas pessoas e organizações dependam desta tecnologia. A mesma possui uma estrutura cliente-servidor (client-server) muito robusta, especialmente em se tratando de WAN (wide-area network ou redes de longo alcance). Incluindo uma série de padrões que especificam como os computadores vão se comunicar, cria convenções para a interconexão de redes e para o roteamento através dessas conexões. 2.2 Protocolos da Internet e seus padrões Protocolos e padrões da Internet são propostos através de iniciativas individuais de organizações ou profissionais, que submetem suas propostas através de RFCs (Request for Comments - Pedido para comentários). Estas RFCs passariam por um avaliação/estudo minucioso e de acordo com os resultados a mesma poderia até virar um padrão. A primeira RFC considerada padrão foi a RFC733. Logo caso tenhamos alguma idéia para melhorar o protocolo ou uma tecnologia nova para o beneficio desta rede mundial, a Internet, devemos submeter a mesma como RFC, dependendo de diversos fatores isto pode ou não se tornar um padrão adotado mundialmente. O órgão responsável pela moderação com relação ao lançamento de RFCs é o RFCEditor. O Apêndice A mostra as RFCs mais usadas atualmente na Internet. 2.3 Conceitos e aplicações da arquitetura internet Através da arquitetura TCP/IP são disponibilizados alguns serviços aos usuários. Possibilitando também o uso de outras ferramentas que existem no mercado, não criando nenhuma restrição quanto ao uso. Alguns

14 dos serviços oferecidos estão relacionados abaixo, bem como seus objetivos: a) Correio eletrônico - tem como objetivo viabilizar o envio de mensagens para um usuário ou grupos de usuários com interesses comuns, sinalizando ao destinatário a recepção de correspondência. O principal aplicativo utilizado para executar este serviço em redes TCP/IP é o SMTP (Simple Mail Transfer Protocol). b) Transferência de arquivos - quando se trata de arquivos pequenos e rápidas mensagens o próprio correio se encarrega de enviá-las. Mais ao se transferir arquivos maiores pode-se usar FTP (File Transfer Protocol), para o transporte, compatibilizando assim as diferentes aplicações e garantindo integridade dos dados (tabelas de banco de dados, imagens, programas, etc.). c) Login remoto - para que uma máquina local conecte-se a uma outra remota, usa-se o telnet, que estabelece uma sessão interativa entre as mesmas. Dando ao usuário a impressão de que o seu terminal, faz parte do sistema remoto ao qual está conectado, como em uma conexão local, ou seja de forma totalmente transparente para o usuário. d) Serviços internet a nível de transporte de rede Serviços de entrega de dados sem conexão - entrega de mensagens através de rotas baseadas no endereçamento implementado em cada segmento, sendo que a integridade dos dados não é garantida em nenhum momento, ou seja um serviço sem qualidade, o que pode ser proporcionado por ferramentas auxiliares, sem nenhuma restrição. A grande vantagem para se usar esta ferramenta é a simplicidade na interface com o hardware utilizado, representando uma alta flexibilidade de uso em diversas plataformas de hardware diferentes. O IP é o protocolo responsável por este serviço. Serviços de transporte de dados confiáveis este serviço é fornecido por um nível superior (transporte), além de prestar este serviço deve também controlar fluxo de dados, estabelecer conexões entre aplicações remotas, permitindo assim a troca de dados de maneira confiável. O TCP é o responsável por estes serviços. 2.4 Arquiteturas TCP/IP e as demais A unidade de transferência de dados (datagrama) pode ser encapsulada em diversos protocolos de nível inferior (enlace do OSI e físico para a internet), com simplicidade na interface entre ambos o que gera uma independência completa do IP com relação ao nível inferior. O IP provê um endereçamento distinto (universal) para cada host conectado à internet, incluso ao datagrama e usado na escolha da melhor rota entre origem e destino, ou seja um endereço único para cada nodo. Provê também a implementação de

15 um conjunto de facilidades para o usuário como correio eletrônico (SMTP - Simple Mail Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol), telnet, etc. O TCP implementa um controle de fluxo entre diversas canalizações lógicas e respectivas aplicações, bem como um controle de erros que implementa confirmações dos dados recebidos pelo destino. O endereçamento internet visa interconectar redes virtualmente, mantendo transparência quanto a suas finalidades, tipo de equipamento, modelo ou fabricante, mantendo o padrão e interoperalidade. 2.5 O Internet Protocol (IP) O Internet Protocol é a base do Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP), ou seja um conjunto de protocolos criados para possibilitar a comunicação entre computadores em ambientes de redes locais e remotas. Para contactar outras máquinas usamos conexões IP que são controladas através de endereços IP, ou melhor números únicos que identificam o nodo na rede. Conexões estas que possibilitam qualquer máquina comunicar-se com outra, bastando para isto que exista um caminho entre as duas. O IP é sem dúvida o protocolo de rede mais usado por corporações, governos e Internet. Apoia várias aplicações pessoais, técnicas, empresariais, de correio eletrônico e transferência de dados, voz e imagens. O envio de datagramas IP não requer uma rota predefinida, o mesmo é redirecionado para um nodo mais próximo do destino. Quando um nodo recebe um datagrama este verifica se ele próprio não é o destino, após esta verificação o pacote é aceito ou redirecionado a um nodo mais próximo ainda do destino. Procedimento este que se repete até que o destino seja encontrado, possibilitando assim o redirecionamento no caso de recurso não disponível. No caso de datagramas com endereços locais, os mesmos são diretamente entregues. Ao trabalharmos com datagramas muito grandes deparamos com uma limitação, pois de acordo com o hardware usado tem-se um tamanho máximo possível para transmissão (Maximum Transfer Unit - MTU). Caso este tamanho seja excedido, o datagrama necessita ser fragmentado em pacotes menores, possibilitando assim o seu envio. Um datagrama fragmentado sofre um reagrupamento dos fragmentos quando chega ao destino, respeitando a ordem.

16 2.6 IP Riscos de Segurança Atualmente o IP não se preocupa em cuidar, internamente de certas questões como: segurança, autenticação, confiabilidade, etc. Quando se pensou inicialmente em uma rede com alcance mundial, não se imaginava a explosão de crescimento, e nem a qualidade de serviço. Algumas funcionalidades são oferecidas por ferramentas à parte, um exemplo são os firewalls. Soluções relacionadas com segurança de protocolos baseados em IP, que se encontram disponíveis em larga escala no mercado. Atualmente, nesta área temos dois tipos de soluções, as comerciais e as de uso livre. E mesmo contando com inúmeras ferramentas para segurança disponíveis na internet, é difícil ou impossível manter os hackers a distância. Um problema grave enfrentado nesta área é que da mesma forma que existem ferramentas que garantem a segurança, existem produtos comerciais capazes de enganar (burlar) os softwares de segurança. Como exemplo podemos citar o watcher (guarda de IP), que é capaz de capturar conexões IP. O uso deste possibilita aos administradores (hackers) observar, encerrar e controlar (seqüestrar, monitorar) sessões de Internet. O usuário é colocado em estado de espera permanente e o administrador (hacker) assume o controle da conexão. Outra situação perigosa enfrentada por todos os que usam a Internet é que, ao usarmos algum aplicativo e por algum motivo necessitamos disponibilizar informações administrativas, contatos técnicos de organizações com telefones, endereços eletrônicos ( ) e físicos, estamos ao mesmo tempo nos protegendo e fornecendo informações preciosas aos hakers, que usam freqüentemente estes dados básicos nos ataques as redes. 2.7 Conclusão Esta rede chamada Internet, projetada para fazer uma comunicação quase que restrita, atualmente é de acesso global e vem apresentando um enorme crescimento o que da origem a vários problemas. Um dos problemas considerados críticos atualmente é que os endereços disponíveis estão a cada dia mas escassos, este é discutido mas profundamente no próximo capítulo.

17 3. Endereçamento internet O endereçamento internet visa interconectar Redes de forma virtual, com o cuidado de manter transparência quanto a: finalidades, tipo do equipamento, modelo ou fabricante, desde que se mantenha o padrão comum do endereçamento internet. (Gasparini, 1993). Para um melhor entendimento tomaremos como exemplo a atual versão usada (versão 4). 3.1 Intercomunicabilidade A intercomunicabilidade (Serviço de Comunicação Universal), ou seja facilidade de se ter uma comunicação de forma transparente entre vários Hosts de diferentes tipos, modelos e fabricantes, LANs, WANS, Microcomputadores, etc. Para que isto ocorra faz-se necessário estabelecer regras e métodos padronizados (protocolos), com eficiência comprovada e aceitação global. Hosts podem ser identificados por nomes, endereços, ou rotas de acesso, por isto necessitamos classificar as identificações de forma comum. O TCP/IP é um padrão de endereçamento compacto e eficiente que possibilita esta intercomunicabilidade. O IP um protocolo que não necessita de conexão, é configurado e parametrizado via software. A versão atual define um string de 32 bits para endereçamento de cada HOST, cada campo pode assumir valores de 0 a 255 (o que corresponde a um byte do endereço IP na forma de bits). Um ponto básico neste tipo de endereçamento é que cada HOST deve ter seu endereço único para qualquer tipo de comunicação, e este deve ser conhecido pelos demais HOSTs envolvidos. O órgão que define este endereço de rede é o chamado InterNIC, e o número do equipamento pelo administrador de rede responsável. Abaixo temos um exemplo de endereço IP:

18 Figura Endereço IP O IP consiste basicamente em NetID que identifica a rede que o HOST pertence, e o HOST ID que identifica o HOST da rede. Portanto em se tratando de uma mesma rede todos os HOSTs tem o mesmo NetID Centro de Informação de Rede O Centro de informação de rede (Network Information Center - NIC), tem como objetivo assegurar a intercomunicabilidade entre as diversas redes, evitando repetição de endereços bem como as suas conseqüências delegando endereços IP aos vários usuários. Devemos padronizar os endereços IP através do NIC para preservar a interoperabilidade com os vários sistemas e redes distintas. 3.2 Classes do endereçamento As redes à serem conectadas tem tamanhos diferentes, podendo ser desde redes locais de computadores de pequeno porte, até redes públicas interligando milhares de hosts. Para atender melhor as necessidades de organizações, bem como aproveitar melhor os endereços disponíveis, dividiu-se endereços em classes, que serão detalhadas a seguir Rede de Classe A Nas redes de classe A, o primeiro byte varia em valor decimal de 1 à 126, sendo que cada rede tem a capacidade de endereçar cerca de 16 milhões de hosts, 7 bits para NetID e 24 bits para HOST ID. Geralmente usado em redes de grande porte, como universidades. Atualmente não existem mais endereços de classe A disponíveis. Nesta classe o endereço da rede corresponde, somente ao primeiro byte. Temos então o endereço IP , que corresponde à máquina na rede Abaixo temos um esboço do que vem a ser um endereço de classe A: O

19 O Fixo Livre Livre Livre Tabela Rede de Classe A Rede de Classe B Nas redes de classe B, os dois primeiros bytes variam em valor decimal de à , sendo que cada rede tem a capacidade de endereçar cerca de 65 mil hosts, 14 bits para Net ID e 16 bits para HOST ID. Endereçamento geralmente usado em redes de médio à grande porte. Nesta classe o endereço da rede, corresponde aos dois primeiros bytes. Temos então o endereço IP que corresponde à máquina na rede Abaixo temos um esboço do que vem a ser um endereço de classe B: O Fixo Livre Livre Livre Tabela Rede de Classe B Rede de Classe C Nas redes de classe C, os três primeiros bytes variam em valor decimal de à , sendo que cada rede endereça cerca de 254 hosts, 21 bits para Net ID e 8 bits para HOST ID. Nesta classe o endereço da rede, corresponde aos três primeiros bytes. Temos então o endereço IP que corresponde à máquina 75 na rede Abaixo temos um esboço do que vem a ser um endereço de classe C: O o Fixo Livre Livre Livre Tabela Rede de Classe C

20 3.2.4 Rede de Classe D Nas redes de classe D, os quatro primeiros bytes variam em valor decimal de 223 à 239 para a classe D. O endereço da rede corresponde aos quatro primeiros bytes. Utilizado para transmissão simultânea de pacotes para um grupo multicast, que é um conjunto de um ou mais equipamentos identificados por um endereço especial de destino (endereço multicast). Abaixo temos um esboço do que vem a ser um endereço de classe D: O Multicast Address Tabela Rede de Classe E Rede de Classe E Nas redes de classe E, o valor do primeiro byte é maior que 240, e estes endereçamentos estão reservados para uso futuro. Abaixo temos um esboço do que vem a ser um endereço desta classe: O Uso futuro Tabela Rede de Classe E Obs.: Endereços e , são reservados para funções especiais e nunca utilizados. Com exceção do endereço de rede , que é utilizado para Loopback (facilidade de teste), ou seja um datagrama com este endereço é utilizado pelo HOST para testar sua interface de comunicação, o mesmo retorna a origem antes de passar pela rede. As demais classes reservam seu último endereço para Loopback. Endereços para Loopback vão ser melhor explicados mais para frente.

21 Esta divisão dos endereços IP em classes pode ser entendida mais claramente na tabela abaixo, que é chamada Tabela Comparativa de Classes. Classe Endereços de rede Endereços de equipamentos Exemplo de endereço A (*) (**) B (**) C (**) D (***) E reservado para uso futuro Tabela Tabela Comparativa de Classes. (*) redes reservadas 0.x.x.x usado para indicar que o endereço de origem é desconhecido. 127.x.x.x reservado para endereço loopback ( próprio equipamento) (**) em cada rede existem endereços reservados: x indica a própria rede de classe A x.x.0.0 indica a própria rede de classe B x.x.x.0 indica a própria rede de classe C x x.x broadcast da rede de classe A broadcast da rede de classe B x.x.x.255 broadcast da rede de classe C (***) endereçamento de multicast Em algumas organizações endereços da classe C não são suficientes, por causa do número de estações

22 oferecidas e já os de classe B seriam pouco utilizados. Este mesmo raciocínio pode nos levar a má utilização de endereços da classe A isto porque não existem identificações para redes de pequeno e médio porte. 3.3 Sub-redes As sub-redes são necessárias nos casos onde temos que subdividir a rede em redes menores, um exemplo muito claro a ser citado é o caso de endereços pertencentes à classe A, que tem a capacidade de endereçar 16 milhões de equipamentos, como montar e administrá-los? Geralmente quando temos um problema muito grande, para resolver, dividimos o mesmo em pequenos módulos, transformando-o em vários problemas menores. É exatamente isto que ocorre no caso de redes deste tamanho. Para dividir uma rede em sub-redes criou-se a máscara de rede (subnet mask), que especificam quantos bits são usados para: endereço de rede e endereço do equipamento. Além do endereço IP, cada máquina tem uma máscara com o mesmo formato. No caso da não utilização de máscaras informa-se a default de acordo com a classe da rede, conforme mostra a tabela abaixo. Classe Máscara Número de Bytes de Rede Número de Bytes de Equipamento A B C Tabela Máscara default para classes de redes Para entender melhor máscaras de redes, temos abaixo alguns exemplos de classes e suas devidas subredes. 1. Se dividíssemos uma rede de classe A em 256 sub-redes teríamos: rede: com máscara

23 sub-redes: , , , , ,..., Se dividíssemos uma rede de classe C em 4 sub-redes teríamos: rede: com máscara sub-redes: , , , Analisemos também a tabela abaixo que relaciona as possíveis máscaras de rede, para a subdivisão de uma rede classe C, mostrando o número de sub-redes, e o número de equipamentos que cada máscara permite endereçar. Máscara Número de sub-redes Número de endereços total Número de endereços válidos Tabela Subdivisão de uma rede, classe C Levando-se em consideração o quadro acima, se dividíssemos uma rede de classe C em 6 sub-redes de 15 equipamentos. A solução seria usar a máscara que divide uma rede de classe C em 8 sub-redes com até 30 endereços válidos cada. Obs.: A máscara pode ser representada com o número de bits que se pretende endereçar após o endereço IP (endereço_ip/número_de_bits). Esta notação é conhecida como CIDR - Classless Inter-Domain Routing. Exemplo: Endereço IP:

24 Máscara: ou /24 Endereço IP: Máscara: ou / Endereços Unicast Um endereço unicast é usado para transmitir dados para um único destino, o mesmo identifica um endereço de interface de rede específico. Logo os dados são enviados diretamente para a interface associada ao endereço. 3.5 Endereços Multicast Endereços multicast são usados para transferir datagramas para um grupo de hosts configurados como membros de um grupo multicast e que possivelmente, encontram-se em sub-redes geograficamente dispersas. Não é orientado a conexão, e não garante que o datagrama será entregue a todos os membros do grupo, ou que vá chegar na mesma ordem relativa a outros datagramas. A diferença de um datagrama IP unicast e um multicast é a presença de um endereço de grupo no campo de endereço destino no cabeçalho IP. Ao invés de um endereço classe A, B, C, multicasting emprega um endereçamento de classe D, com o formato ( ). Membros individuais podem associar-se ou deixar um grupo multicast a qualquer momento. Não existindo nenhuma restrição, nem mesmo com relação de localização física ou número de membros nos grupos. Um host pode ser membro de um ou mais grupos e para enviar mensagens para membros do grupo não precisa ser membro do mesmo. Os grupos podem ser permanentes ou transientes e também ter até zero no número de membros. Endereços multicast tem seus quatro bits de maior ordem igual a 1110, seguido de um identificador de

25 grupos de 28 bits, e variam de até O endereço base não pode ser usado de modo algum, o bloco de endereços são reservados para uso de roteadores e outros protocolos de baixo nível, que realizam tarefas de manutenção e descoberta de topologias. Os grupos restantes de são designados a aplicações multicast ou permanecem disponíveis. 3.6 Endereços Broadcasting O endereços broadcasting são maneiras de se mandar mensagens para todos os usuários da rede, isto é feito preenchendo-se o HOST ID com bits 1. Embora esta seja uma poderosa ferramenta temos que tomar cuidado, visto que qualquer sistema remoto pode enviar mensagens em broadcasting para qualquer rede. Estas mensagens podem ocasionar congestionamentos insuportáveis na rede. 3.7 Desvantagens do Endereçamento IP Uma das desvantagens mais claras de se usar o endereçamento IP é o que se refere ao deslocamento físico do equipamento, que apresenta problemas, visto que o endereço IP refere-se à conexão com a rede e não com o HOST. Logo quando queremos trocar o HOST de uma rede para outra devemos trocar seu endereço. Este fato ocasiona um transtorno muito grande principalmente quando tratamos usuários de HOSTs portáteis. Um computador portátil não podendo ficar conectado permanentemente à mesma rede, não pode ter um endereço fixo, pois o mesmo identifica a localização física da rede. Na escolha da classe de endereçamento, não temos como prever se a rede vai se expandir ou não. Por este motivo ao se implantar uma rede as empresas não preocupam-se em nenhum momento com um possível crescimento futuro, fato este que pode nos trazer sérios transtornos. Tomemos como exemplo o caso de uma empresa X adota um endereço de classe C, pois que não se esperava mais de 254 HOSTs, depois de um determinado tempo este número de HOSTs ultrapassa os 254. Para resolver o problema desta empresa teríamos que mudar o endereçamento para a classe A ou B. Com

26 esta mudança supostamente fácil seria necessário mudar todos os endereços de máquinas e reaprender a usá-los. Devemos levar em consideração também a complexidade do NetID, que aumenta proporcionalmente com o crescimento da complexidade da rede. A administração da rede ficaria bem mais complexa. O caminho de um determinado datagrama endereçado ao HOST X da rede Y é especificado no endereço IP, logo a eficiência desta comunicação esta diretamente ligada com este caminho definido. Ao analisarmos este caminho verificamos que este é composto por vários endereços IP e a ausência ou desconhecimento de certos endereços pode inviabilizar a comunicação. 3.8 Conclusão As mudanças sofridas pelo protocolo IP conseguiram acomodar ou solucionar, mesmo que temporariamente, os problemas visualizados diretamente relacionados com o protocolo. Um exemplo é o que se refere a quantidade de endereços disponíveis, problema este que foi solucionado temporariamente com a criação das classes de endereços, e que atualmente estão novamente perto de acabar. O capítulo a seguir mostra mais detalhadamente a atual versão do protocolo usada, para que possamos entender melhor a necessidade de uma nova versão. 4. Protocolo IPv4 O protocolo IPv4, como já foi dito anteriormente é o principal protocolo adotado pela Internet. O datagrama IP atual não necessita de conexão, e não garante a entrega através de mecanismos internos. Mesmo não garantindo a segurança continua sendo o protocolo mais utilizado atualmente. Atualmente um datagrama IPv4 contém campos que se encontram dispostos como mostrado na tabela abaixo (Gonçalves e Niles, 1997): VERS HLEN SERVICE TYPE TOTAL LENGTH IDENTIFICATION FLAGS FRAGMENT OFFSET TIME TO LIVE PROTOCOL HEADER CHECKSUM

27 SOURCE IP ADDRESS DESTINATION IP ADDRESS IP OPTIONS (IF ANY) PADDING DATA... Tabela Datagrama IPv4 Descrição dos principais campos que compõem um datagrama IPv4. Vers (versão) - com um tamanho de 4 bits, estabelece um acordo entre fonte, destino e qualquer Gateway por onde o datagrama passa. Quando uma máquina recebe um datagrama com a versão incompatível com a sua, descarta o mesmo para evitar interpretação errônea. Versão adotada atualmente do IP é a 4. Hlen - com o tamanho de 4 bits é responsável por especificar o comprimento do cabeçalho do datagrama. Total Length - com o tamanho de 16 bits, especifica o comprimento do datagrama IP em octetos (bytes), incluindo cabeçalho e dados. Logo o tamanho máximo é 2 16 ( octetos). Service Type - com o tamanho de 8 bits, especifica a maneira de se lidar com o datagrama, e subdividi-se em cinco campos. Apesar de que a maioria das máquinas (Hosts ou gateways) ignorarem este campo ele é usado por algoritmos de roteamento na tomada de decisões. A disposição dos campos no Service Type é mostrada na tabela a seguir: Precedence D T R UNUSED Tabela Campos do Service Type Precedence - três primeiros bits indicam precedência do datagrama, e o valor 0 indica uma precedência normal e o valor 7 indica controle de rede, permitindo assim aos remetentes a priorização da transmissão de datagramas. Bit D - quando setado (1), solicita o mínimo de atraso na transmissão.

28 Bit T - quando setado, solicita alto throughput na transmissão. Bit R - quando setado, solicita alta confiabilidade. Redes podem não atender os pedidos dos bits D, T, R por uma impossibilidade operacional (tráfego, volume, velocidade, etc.), os bits setados não significam regras e sim sugestões que podem ser ou não obedecidas. Identification - com o tamanho de 16 bits, número único para cada datagrama, permite ao destinatário saber a que datagrama pertence o fragmento. A cada datagrama gerado copia-se o contador para o identification e incrementa o contador, garantindo assim que cada datagrama enviado tenha um número diferente. Flags - contém 3 bits, e cada um com uma função para controle de fragmentação. Flag setado com: 1 sem fragmentação, ou seja com restrição à fragmentação. Flag setado em 2 significa que o fragmento pertence ao meio do datagrama, e 3 que o fragmento é o último. Estes flags são utilizados na remontagem do datagrama original. O primeiro fragmento sinalizado com o campo fragment offset setado com 0. Fragment Offset - tamanho de 13 bits usados para identificar a posição original do fragmento. Time To Live (TTL) - tamanho de 8 bits e contém o tempo que o datagrama permanece na rede, este campo é decrementado cada vez que passa por uma máquina em cada segundo. Caso o campo seja zerado o datagrama é descartado, e é gerado uma mensagem ao seu criador. Protocol - tamanho de 8 bits, especifica o protocolo usado para gerar a informação contida nos dados. Por exemplo UDP ou TCP. Header Checksum - tamanho de 16 bits, usado para garantir a integridade dos dados contidos no cabeçalho IP. Não garante a integridade dos dados.

29 Source IP Address - tamanho de 32 bits, endereço de origem. É dividido em dois componentes NetID e HostID, cujos valores dependem da classe utilizada. Destination IP Address - tamanho de 32 bits, endereço de destino. É dividido em dois componentes NetID e HostID, cujos valores dependem da classe utilizada. IP Options - tamanho variável e o campo não é obrigatório. Pode existir apenas um octeto ou vários sendo que não há separação entre eles. Todas as operações São precedidas de um octeto que compõe o código da operação. Padding - com o tamanho de 8 bits é usado como complemento do campo options. Data - possui um tamanho variável e múltiplo de 8 bits e contém os dados. 4.1 Encapsulamento de datagrama O limite atual do datagrama é de 2 16 ou seja octetos. Este limite pode ser aumentado em versões futuras de acordo com a demanda tecnológica, mas existe o limite dos frames que deve ser respeitado. O ideal é termos o tamanho do datagrama compatível com o tamanho do campo dados do frame garantindo assim o transporte do mesmo de forma distinta, aumentando a eficiência da transmissão. Ao carregarmos um datagrama em um frame estamos encapsulando o mesmo (Gonçalves e Niles, 1997). A seguir temos uma tabela mostrando este encapsulamento. Campo de dados Cabeçalho Físico Datagrama IP (cabeçalho IP + Dados) FRAME Tabela Encapsulamento de datagramas

30 4.2 Unidade máxima de transmissão Devemos assumir um formato único como Tamanho Máximo de Transferência (Maximum Transfer unit - MTU), tal que o datagrama sempre utilize um único frame. Ao tamanho máximo de transferência damos o nome de unidade máxima de transmissão. A situação ideal para a transmissão de um datagrama através da rede está no encapsulamento do mesmo. Como o protocolo TCP/IP tem como objetivo a transparência dos protocolos de níveis inferiores e o projetista ou usuário da rede não devem preocupar-se com o tamanho do datagrama, deve-se deixar que a fonte escolha o tamanho de acordo com as necessidades e a rede fragmente-os e reagrupe-os conforme as necessidades apresentadas pelos nodos por onde o mesmo vai passar até chegar ao seu destino. 4.3 Fragmentação e montagem do datagrama IP A arquitetura TCP/IP foi projetada para interligar redes com as mais diversas tecnologias, logo o tamanho máximo dos datagramas varia de acordo com a tecnologia usada. Por isto faz-se necessário a fragmentação de datagramas muito grandes, ou que excedam o tamanho máximo aceito pela máquina. Estes fragmentos são transmitidos e remontados ao chegar ao destino. Tomemos um HOST A que trabalha com MTU (Maximum Transfer Unit) de 1400 octetos, e envia um datagrama ao HOST B, e o Gateway fragmenta o mesmo em 3 partes conforme mostra a figura abaixo (Gonçalves e Niles, 1997). A fragmentação de datagramas é mostrado nas figuras abaixo: Cabeçalho dados 1 dados 2 dados 3 IP 600 octetos 600 octetos 200 octetos Tabela Datagrama a ser fragmentado Cabeçalho dados 1 fragmento octetos Tabela Primeiro Fragmento (offset 0)

31 Cabeçalho dados 2 fragmento octetos Tabela Segundo Fragmento (offset 600) Cabeçalho dados 3 fragmento octetos Tabela Terceiro Fragmento (offset 1200) A maior parte do cabeçalho é replicado, exceto os campos Flags, Fragment Offset, sendo que o primeiro serve para indicar se houve ou não fragmentação e caso exista o segundo auxilia na remontagem indicando posição no datagrama original. Temos algumas desvantagens com a fragmentação de datagramas: Uma máquina com MTU (Maximum Transfer Unit) de capacidade maior, após a fragmentação será subtilizada em sua capacidade de vazão de dados. Depois de receber o primeiro fragmento, o destinatário inicializa um temporizador e vai decrementando o tempo, quando ele se esgotar e se faltar algum fragmento que não tenha chegado ainda, descarta-se os recebidos. A probabilidade de perda de datagrama aumenta ao utilizar-se de fragmentação, isto fica bem claro se pensarmos que ao invés de um datagrama seriam vários. 4.4 Roteamento de datagramas IP Mesmo quando se trata de envio de datagramas para uma máquina que se encontra na mesma rede é necessário uma tabela para decidir a interface a ser usada. O roteamento de um datagrama pode ser direto,

32 viabiliza a comunicação entre Hosts alocados em uma mesma rede física ou indireto, conexão entre dois Hosts alocados em redes distintas. No roteamento indireto cada Gateway processa o datagrama, define a rota, encapsula o mesmo no frame da rede que utilizar para envio ao próximo Gateway. Tendo em vista este processo podemos deparar com um loop de roteamento, e o campo TTL (Time To Live) do datagrama tem por função impedir que um datagrama circule na rede eternamente. A cada roteador que o datagrama passa o TTL (Time To Live) é decrementado, e quando atinge zero envia uma mensagem de erro para a origem Inconvenientes das tabelas de roteamento Temos dois inconvenientes graves das tabelas de roteamento um deles é o caminho único, e o outro é se algum destino se encontra fora do ar. No primeiro caso datagramas gerados de uma fonte A para um destino B, vai sempre seguir o mesmo caminho sem se preocupar com as múltiplas opções, atrasos, Throughput, etc. E no segundo caso só saberemos se o Host de destino está operacional ou não quando o último Gateway tenta enviar o datagrama, e o Gateway final tem que enviar uma mensagem para a fonte (origem) Internet Message Control Protocol ( ICMP ) A necessidade de interpretar as mensagens de erro deu origem a este protocolo, e embora este protocolo opere sobre o IP, ele é parte indispensável e integrante do mesmo. Devido a natureza do endereçamento IP, só é possível enviar mensagens de erros à origem Principais tipos de mensagens de erro Echo Request: geralmente implementado como comando ping, a máquina que recebe deve responder Echo Reply. Esta é uma importante ferramenta para depuração. Source Quench: mecanismo para avaliação de congestionamentos, opera principalmente em redes de