Modelo de Comunicação do TCP/IP

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1 IP 1 IP Arquitectura, Interligação, Encaminhamento, Evoluções Curso de Sistemas de Comunicação Modelo de Comunicação do TCP/IP Estruturado em 4 camadas Acesso à rede» Interface ao meio físico» Carta de rede, device driver Rede (interligação de)» Transferência de pacotes» IP (Internet Protocol) Transporte» Multiplexagem de fluxos TCP- Transmission Control Protocol UDP User Datagram Protocol Aplicação» Serviços de rede Telnet, FTP, SMTP, SNMP, DNS» Modelo cliente-servidor IP 2

2 IP 3 Comunicação Através de Redes Diferentes IP 4 Comunicação Através de Redes Diferentes Redes comunicantes» Diferentes organizações» Diferentes tecnologias de acesso Internet! rede virtual, única» Sistemas finais! computadores» Sistemas intermédios! routers» router! uma interface por rede Protocolos» Camadas de Aplicação e Transporte extremo-a-extremo, entre computadores» Camada de Rede entre máquinas adjacentes (routers e computadores)

3 IP 5 Arquitectura da Pilha TCP/IP, num Host TCP» Orientado às ligações» Transporte ordenado e fiável UDP» Orientado aos pacotes (sem ligação)» Transporte não fiável IP» Protocolo principal da pilha» Encaminha datagramas ICMP» Auxiliar do IP» Envia mensagens de erro IGMP» Gere grupos de multicast ARP, RARP» endereços IP "! endereços físicos IP 6 Encapsulamento dos Dados

4 IP 7 Encapsulamento Ethernet Cartas Ethernet» Devem receber encapsulamento IEEE 802 encapsulamento Ethernet» Se conseguem enviar os 2 tipos encapsulamento Ethernet! default Valores válidos IEEE 802 length» Diferentes de type válidos Ex. 0x0800 = 2048 IP 8 Desmultiplexagem dos Dados» Cabeçalho TCP/UDP (porta) FTP! 21 Telnet! 23...» Cabeçalho IP (protocolo) ICMP! 1 IGMP! 2 TCP! 6 UDP! 17» Cabeçalho Ethernet (tipo) IP! 0x0800 ARP! 0x0806 RARP! 0x8053

5 IP 9 Endereçamento IP Endereços IP» Um por interface, 32 bits (IPv4)» Exemplo: Atribuição de endereços» InterNic! atribui netid» Administrador de rede! atribui hostid 3 classes de rede» Classe A 126 redes: 1.x.x.x até 126.x.x.x All 0! reservada (127)! loopback» Classe B = 16,382 redes 128.x.x.x até 191.x.x.x» Classe C = 2,097,150 redes 192.x.x.x até 223.x.x.x Tipos de endereço» Unicast, multicast, broadcast Classe Valores A ! B ! C ! D ! E ! IP 10 Endereçamento IP

6 IP 11 Interface de Loopback» Interface de teste, num computador curto-circuito à rede netid! hostid! nome! localhost» Datagrama enviado para localhost não é visto na rede IP 12 IP - Internet Protocol IP» Comutação de datagramas» Serviço não fiável Não há garantia de entrega no destino Serviço best effort» Datagramas para um mesmo destino podem Seguir caminhos diferentes Ser entregues fora de ordem Cada router» Analisa o endereço de destino» Encaminha o datagrama recebido para uma das suas interfaces» Em situações de erro Elimina datagrama Envia mensagem de erro ICMP para a origem

7 IP 13 Cabeçalho de Datagramas IP IP 14 Cabeçalho IP» Versão IPv4» Comprimento do cabeçalho Número de palavras (de 32 bits) do cabeçalho Limite do cabeçalho! 60 octetos» TOS (type of service) 3 bits de precedência 4 bits TOS 1 bit não usado Usado em novas redes (QoS, DiffServ)» Comprimento total Comprimento total do datagrama Máximo bits» Identificação Identifica unicamente um datagrama Incrementado de uma unidade por cada datagrama enviado» Tempo de vida Número máximo de routers visitáveis por um datagrama Inicializado (32 ou 64) Decrementado de um quando visita router» Protocolo Usado para desmultiplexagem» Checksum Calculado sobre o cabeçalho» Endereço de origem (32 bits)» Endereço de destino (32 bits endereço do host final» Opções Registo de rota Registo de tempos Encaminhamento definido pela origem Loose source routing Strict source routing

8 IP 15 Encaminhamento de Datagramas Datagrama contém endereço de destino Se router ligado à rede de destino # encaminha datagrama Senão # encaminha para outro Router Tabela de encaminhamento» número de rede $# próximo elemento Cada computador tem um router por omissão Cada router tem uma tabela de encaminhamento IP 16 Encaminhamento de Datagramas Cada entrada da tabela de encaminhamento de um router contém» Um endereço IP de destino (hostid ou netid)» Endereço IP do next-hop-router» Interface de rede à qual o datagrama deve ser passado Quando o datagrama chega ao nível IP este» Procura entrada na tabela que seja igual ao hostid de destino Se consegue! envia pacote» Procura entrada na tabela que seja igual ao netid de destino Se consegue! envia pacote» Procura entrada de default na tabela envia pacote

9 IP 17 Exemplo 1 IP 18 Exemplo 2

10 IP 19 Fragmentação e Reassemblagem Cada rede tem o seu MTU (Maximum Transfer Unit) Estratégia» Router fragmenta quando necessário (MTU < Datagrama)» Evitar a fragmentação na origem» Re-fragmentação é possível» Fragmentos ainda são datagramas IP» Reassemblagem no host de destino» Fragmentos perdidos não são recuperados Rede 16 Mbits/sec token ring (IBM) 4 Mbits/sec token ring (802.5) FDDI Ethernet IEEE 802.3/802.2 X.25 Point-to-Point MTU (octetos) Fragmentação - Exemplo IP 20 Start of header H1 R1 R2 R3 H8 Ident= x 0 Offset= 0 Rest of header 1400 data bytes ETH IP (1400) FDDI IP (1400) PPP IP (512) PPP IP (512) PPP IP (376) ETH IP (512) ETH IP (512) ETH IP (376) Ident= x Start of header 1 Rest of header 512 data bytes Offset= 0 Network 1 (Ethernet) H7 R3 H8 Start of header Ident= x 1 Offset= 512 Rest of header H1 H2 H3 Network 2 (Ethernet) R1 H4 Network 3 (FDDI) R2 Network 4 (point-to-point) 512 data bytes Start of header Ident= x 0 Offset= 1024 Rest of header 376 data bytes H5 H6

11 IP 21 ifconfig sun% /usr/etc/ifconfig -a leo : flags=63<up, BROADCAST, NOTRAILERS, RUNNING> inet netmask ffffffe0 broadcast slo : flags=105kup, POINTOPOINT, RUNNING, LINKO> inet > netmask ffffff00 loo: flags=49<up,loopback,running> inet netmask ff bsdi% /sbin/ifconfig weo we0: flags=863<up, BROADCAST, NOTRAILERS, RUNNING, SIMPLEX> inet netmask ffffffe0 broadcast IP 22 netstat sun% netstat -in Name Mtu Net/Dest Address lpkts lerrs Opkts Oerrs Collis Queue leo slo loo

12 IP 23 ARP Address Resolution Protocol Host TCP/IP! endereço IP Carta de rede! endereço físico (hardware)» Em LANs endereço MAC ARP!» Mapeamento dinâmico» Endereço IP "!endereço de hardware IP 24 Exemplo

13 IP 25 ARP Request - Reply IP 26 ICMP ICMP! Internet Control Message Protocol (RFC 792) Transferência de mensagens de controlo» Routers / host "! host» Indicam problemas Mensagens ICMP são encapsuladas em datagramas IP (não fiável)

14 IP 27 ICMP Tipos de Mensagem IP 28 Rede Exemplo

15 IP 29 Ping ICMP Echo / Echo Reply Echo» Identificador Pid do cliente» Sequência começa em 0» Dados tempo de envio Echo Reply» Enviado por servidor ping (kernel)» Ecoa tudo sun% ping gemini PING gemini: 56 data bytes 64 bytes from gemini ( ): icmp_seq=0. time=373. ms 64 bytes from gemini ( ): icmp_seq=l. time=360. ms 64 bytes from gemini ( ): icmp_seq=2. time=340. ms 64 bytes from gemini ( ): icmp_seq=3. time-320. ms 64 bytes from gemini ( ): icmp_seq=4. time=330. ms 64 bytes from gemini ( ): icmp seq=5. time=310. ms 64 bytes from gemini ( ): icmp seq=6. time==290. ms 64 bytes from gemini ( ): icmp_seq-7. time=300. ms 64 bytes from gemini ( ): icmp_seq=8. time=280. ms 64 bytes from gemini ( ): icmp_seq=9. time=290. ms 64 bytes from gemini ( ): icmp_seq=10. time=300. ms 64 bytes from gemini ( ): icmp_seq=ll. time=280. ms --gemini PING Statistics-- 12 packets transmitted, 12 packets received, 0% packet loss round-trip (ms) min/avg/max = 280/314/373 IP 30 TraceRoute Permite detectar rotas entre máquinas Usa datagramas IP e mensagens de erro ICMP» Traceroute envia datagrama para destino com TTL = 1 e porta UDP inexistente» O primeiro router decrementa valor! elimina datagrama envia mensagem de erro ICMP (time exceed) para origem Traceroute obtém a sua identificação» Traceroute envia datagrama para destino com TTL = 2 e porta UDP inexistente» O segundo router repete o processo e assim sucessivamente» Traceroute envia datagrama com TTL até à máquina de destino» A máquina de destino envia mensagem de erro ICMP port unreachable Traceroute obtém a sua identificação

16 IP 31 TraceRoute - Exemplo svr4% traceroute slip traceroute to slip ( ), 30 hops max. 40 byte packets 1 bsdi ( ) 20 ms 10 ms 10 ms 2 slip ( ) 120 ms 120 ms 120 ms slip% traceroute svr4 traceroute to svr4 ( ), 30 hops max, 40 byte packets 1 bsdi ( ) 110 ms 110 ms 110 ms 2 svr4 ( ) 110 ms 120 ms 110 ms IP 32 IPv6 Versões» IP v1-v3! fora de uso» IP v4! versão em uso» IP v5! orientado às ligações» IP v6! substituto do IP v4 Limitações do IPv4» Endereçamento Dois níveis de endereçamento (rede, host) desperdiça endereços Endereços usados mesmo quando rede não ligada à Internet Crescimento do número de redes e da Internet Endereço único por computador» Requisitos de novos tipos de serviços Melhorias do IPv6» Flexibilidade de endereçamento Espaço de endereçamento aumenta (128 bits) Multicast - mais versátil e escalável» Reserva de recursos Substituição do Type of Service Introdução do conceito de fluxo de pacotes Fluxos com tratamento especial (QoS) Vídeo em tempo real

17 IP 33 IPv6 - Protocolo Cabeçalho IPv6 Cabeçalhos secundários (de extensão)» Hop-by-Hop Options Processado e alterado nos routers» Routing Semelhante ao Source Routing do IPv4» Fragment» Destination options Para nó de destino» TCP IP 34 Cabeçalho IPv6 Version»6 Traffic Class» Classes / prioridades de pacote Flow Label» Suporte de QoS Payload length» Cabeçalhos secundários + dados Next Header» Tipo do póximo cabeçalho (Extensão ou nível superior) Source Address Destination Address

18 IP 35 IPv6 - Endereços 128 bits Atribuídos a interfaces Uma interface pode ter múltiplos endereços Tipos de endereços» Unicast uma interface» Anycast Conjunto de interfaces Pacote entregue a qualquer interface (a mais próxima)» Multicast Conjunto de interfaces Pacote entregue a todas as interfaces IP 36 Cabeçalho UDP

19 IP 37 Cabeçalho TCP IP 38 Rotas IP

20 IP 39 Sumário Encaminhamento versus Descoberta de Rotas» Encaminhamento Selecção de uma porta de saída a partir de um endereço de destino e de uma tabela de rotas» Descoberta de rotas Construção da tabela de rotas Rede modelizada como um grafo C 4 B 3 9 A 1 D 1 1 E 6 2 F Problema! encontrar o trajecto de menor custo entre 2 nós Factores (de rede) a considerar» Estáticos! topologia» Dinâmicos! carga Vector Distância IP 40 Cada nó mantém conjunto de entradas» (destino, custo, nexthop) Troca informação» Periodicamente (alguns segundos)» Quando a tabela de cima muda! actualização Actualização lista de pares (destino, custo) Tabela local actualizada se encontrada rota melhor» Custo menor» Enviada pelo nexthop Entradas devem ser refrescadas. Se timeout! apagadas

21 IP 41 Exemplo, em B A B E C D Destino Custo NextHop A 1 A C 1 C D 2 C E 2 A F 2 A G 3 A F G Presença de Aneis A B E C D IP 42» Exemplo 1 F detecta falha em ligação a G F actualiza distância a G para infnito e envia actualização para A A actualiza distância a G para infinito porque usa F para comunicar com G A recebe actualização periódica de C com custo 2 para G A coloca actualiza distância a G para 3 e envia actualização para F F decide que pode comunicar com G com custo 4 (hops) via A» Exemplo 2 Ligação de A a E falha A avisa que distância a E é infinita Entretanto, B e C avisam distância 2 a E B decide que pode comunicar com E em 3 hops. E avisa A A decide que pode comunicar com E com um custo 4. Avisa C C decide que pode comunicar com E com custo 5 e avisa» Heurísticas para terminação de aneis Infinito = 16 Quebra de horizontes F G A F B E C G D

22 IP 43 Estado da Ligação Estratégia Enviar a todos os nós (não apenas os vizinhos) informação sobre ligações directas Link State Packet (LSP)» Identificação do nó que criou o LSP» Custo da ligação a cada nó vizinho» Número de sequência (SEQNO)» time-to-live (TTL), para este pacote Inundação fiável. Cada Router» Armazena o LSP mais recente de cada nó» Re-encaminha LSP para todos os outros nós (excepto nó de origem)» Gera novo LSP periodicamente incrementa SEQNO» recomeça SEQNO em 0, no reboot» decrementa TTL de cada LSP armazenado Elimina quando TTL=0 IP 44 Cálculo de Rotas Algoritmo de caminho mais curto, de Dijkstra Seja N, o conjunto de nós do grafo l (i, j), o custo não negativo (peso) da ligação i!j s, este nó M, o conjunto de nós incorporados C(n), o custo do trajecto s! n M = {s} para cada n in N - {s} C(n) = l(s, n) enquanto (N!= M) M " M U {w}, tal que C(w) seja o mínimo para todos w em (N - M) para cada n em (N - M) C(n) = MIN( C(n), C (w) + l(w, n ) )

23 IP 45 Algoritmo de Dijkstra - Exemplo IP 46 Métricas Métrica original (na ARPANET)» Número de pacotes na fila de cada ligação» Não considerava latência nem capacidade de transmissão da ligação Nova métrica» Marca cada pacote com tempo de chegada (AT)» Marca tempo de partida do pacote (DT)» Quando ACK de nível 2 chega, calcula atraso Delay = (DT - AT) + Tpac + Tprop (espera + transmissão + propagação)» Se timeout, remarca DT com tempo de retransmissão» Custo da ligação = atraso médio observado num perído de tempo Sintonia precisa» Gama dinâmica comprimida» Substituição de dinâmica por utilização da ligação

24 IP 47 Rotas em Redes Grandes Endereços planos / Endereços Hierárquicos Utilização ineficiente do espaço de endereçamento hierárquico» Ex. classe C com 2 computadores (2/255, eficiência de 0.78%)» Ex. classe B com 256 computadores (256/65535, eficiência de 0.39%) Muitas redes» Tabelas de rotas não comportam tanta informação» Protocolos de propagação de rotas não escalam Estrutura da Internet No passado (recente) IP 48 Stanford NSFNET backbone ISU Berkeley BARRNET regional PARC NCAR Westnet regional UNM UNL MidNet regional KU UA

25 IP 49 Estrutura da Internet Hoje Large corporation Peering point Consumer ISP Backbone service provider Consumer ISP Peering point Large corporation Consumer ISP Small corporation IP 50 Subredes» Subrede! introdução de nível hierárquico de endereços/rotas» Máscaras de subrede definem partição variável para parte endereço reservada a computadores» Subrede visivel só dentro de uma organização Network number Host number Class B address Subnet mask ( ) Network number Subnet ID Host ID Subnetted address

26 IP 51 Exemplo de Subredes Subnet mask: Subnet number: H1 R Subnet mask: Subnet number: H R Subnet mask: Subnet number: H Forwarding table at router R1 Subnet Number Subnet Mask Next Hop interface interface R2 Algoritmo de Encaminhamento IP 52 D = endereço IP de destino Para cada entrada (SubnetNum, SubnetMask, NextHop) D1 = SubnetMask & D se D1 = SubnetNum se NextHop é uma interface entrega datagrama directamente a D senão entrega datagrama ao NextHop Se não for encontrada entrada na tabela! utilizar router por omissão Os 11s da máscara de subrede não têm que ser contínuos Uma rede física! múltiplas subredes Subredes não são visiveis do resto da INTERNET

27 IP 53 SuperRedes Endereços de rede contíguos atribuídos a redes vizinhas CIDR Classless Inter-Domain Routing Blocos de redes» representados por entrada (first_network_address, count)» Limitação: comprimento do bloco! potência de 2 Utilização de máscara de bits! máscara CIDR» Identificação do comprimento do bloco Routers devem entender endereçamento CIDR IP 54 Propagação de Rotas Encaminhamento inteligente» Computadores conhecem router local» Routers locais conhecem routers da organização» Routers da organização conhecem routers de transporte» Routers de transporte conhecem tudo Autonomous System (AS)» Domínio administrativo» Exemplos universiade, companhia, rede de transporte» Cada AS tem um identificador de 16-bit associado Propagação de rotas! dois níveis hierárquicos» interior gateway protocol (cada AS escolhe o seu)» exterior gateway protocol (norma internet)

28 IP 55 Protocolos Interior Gateway Mais Usados RIP: Route Information Protocol» Desenvolvido pela XNS» Distribuido com o UNIX» Algoritmo vector-distância» Baseado na contagem de hops OSPF: Open Shortest Path First» Norma internet recente» Usa algoritmo Estado de Ligação» Com balanceamento de carga» Com autenticação IP 56 EGP - Exterior Gateway Protocol Características» Construído para uma INTERNET organizada em árvore» Preocupado com alcançabilidade!não com rotas óptimas Mensagens do protocolo» Aquisição de vizinho Um router pede a outro para ser seu parceiro Parceiros trocam informação de alcançabilidade» Alcançabilidade de vizinho Um router verifica periodicamente se os seus vizinhos estão alcançaveis Troca de mensagens HELLO/ACK Regra do k-em-n» Actualização de rotas Parceiros trocam tabelas de rotas (vector distância) periodicamente

29 IP 57 BGP-4: Border Gateway Protocol Tipos de AS» stub AS ligação única a outro AS Transporte de tráfego local» multihomed AS ligação a múltiplos AS Tráfego local não transportado» transit AS ligação a múltiplos AS Transporte de tráfego local e tráfego de trânsito Cada AS tem» Um ou mais routers de fronteira» Um porta-voz BGP que avisa As redes locais Outras redes alcançaveis (AS de trânsito, apenas) Fornece informação sobre trajectos IP 58 Exemplo BGP Porta-voz AS2 avisa que P e Q estão alcançaveis» rede , , , e ! alcançaveis por AS2 Backbone network (AS 1) Regional provider A (AS 2) Regional provider B (AS 3) Customer P (AS 4) Customer Q (AS 5) Customer R (AS 6) Customer S (AS 7) Porta-voz do backbone avisa que» redes , , , e ! alcançaveis por (AS1, AS2). Porta-voz pode cancelar anúncios prévios

30 IP 59 IP Móvel IP 60 Motivação Encaminhamento datagramas IP Baseado em endereço IP de destino, prefixo de rede Endereço de rede IP "! Rede física Mudança de rede # mudança de endereço IP Possíveis soluções para a mobilidade» Alteração das rotas para as máquinas móveis? # mudança de tabelas de encaminhamento dos routers # solução não compatível (não escalável) com Mudanças frequentes de posição Número elevado de terminais móveis # problemas de segurança» Mudança do endereço IP da máquina móvel? # Endereços dependentes da localização # Localização do terminal difícil " Actualização de DNS é demorada # Quebra de ligações TCP. Problemas de segurança

31 IP 61 Requisitos do IP Móvel (RFC 2002) Transparência Estações móveis devem manter o seu endereço IP Comunicação deve ser retomada depois de quebra da ligação (a mudança de rede) Ponto de ligação à rede fixa pode ser alterado Compatibilidade Deve suportar mesmos protocolos de nível 2 que IP Não deve implicar alterações dos routers/máquinas existentes Máquinas móveis devem comunicar c/ máquinas fixas Segurança Mensagens de sinalização devem ser autenticadas Eficiência, escalabilidade Sistema de sinalização leve Sistema escalável à Internet global Terminologia MN, Mobile Node! estação móvel Máquina móvel. Muda de ponto de ligação Mantém endereço IP HA, Home Agent! Agente na rede origem Sistema (router) na rede origem do MN Regista localização do MN. Usa túnel para enviar datagramas IP para COA FA, Foreign Agent! Agente na rede visitada Sistema (router) na rede visitada pelo MN Entrega datagramas recebidos pelo túnel ao MN COA, Care-of Address Endereço IP da extremidade do túnel na rede visitada Localiza MN Pode ser atribuído por DHCP CN, Correspondent Node Máquina que comunica com o MN IP 62

32 IP 63 Exemplo HA MN home network router (physical home network for the MN) CN Internet FA mobile end-system foreign network router (current physical network for the MN) end-system router IP 64 Transferência de Dados para o MN HA 2 MN home network Internet 3 receiver FA foreign network CN sender 1 1. Sender sends to the IP address of MN, HA intercepts packet 2. HA tunnels packet to COA (FA) by encapsulation 3. FA forwards the packet to the MN

33 IP 65 Transferência de Dados do MN HA 1 MN home network Internet sender FA foreign network CN receiver 1. Sender sends to the IP address of the receiver as usual, FA works as default router IP 66 Fases da Mobilidade COA home network router HA router FA MN Internet foreign network CN router home network router HA 2. router FA MN Internet foreign network 1. CN router

34 IP 67 Comunicação com os Agentes MN determina rede de acolhimento» HA, FA! geram regularmente mensagens de aviso para suas redes Adaptação de mensagens do ICMP Router Advertisment Protocol (RFC 1256)» MN escuta mensagens; determina rede de acolhimento A sua, ou Uma rede visitada! conhecimento de COA MN regista-se, por tempo limitado» MN envia COA para HA (via FA)» HA confirma recepção» Autenticação obrigatória! Associação de segurança entre MN e HA Na rede origem» HA assume endereço IP do MN» Routers (na rede origem) actualizam entradas» Pacotes com destino MN são enviados para HA» Processo independente de alterações de COA/FA Agentes Mensagens de Aviso IP type #addresses code addr. size checksum lifetime router address 1 preference level 1 router address 2 preference level 2... type length sequence number registration lifetime R B H F M G V reserved COA 1 COA 2...

35 IP 69 Registo do MN no Home Agent MN FA HA registration request registration request MN HA registration request registration reply registration reply t registration reply t IP 70 Mensagem de Pedido de Registo type S B DMG V rsv home address lifetime home agent COA identification extensions...

36 IP 71 Encapsulamento, Tuneis original IP header original data new IP header new data outer header inner header original data IP 72 IP em IP (obrigatório) ver. IHL TOS length IP identification flags fragment offset TTL IP-in-IP IP checksum IP address of HA Care-of address COA ver. IHL TOS length IP identification flags fragment offset TTL lay. 4 prot. IP checksum IP address of CN IP address of MN TCP/UDP/... payload Túnel entre HA e COA

37 IP 73 Encapsulamento Mínimo (Opcional)» Campos repetidos não são enviados TTL, IHL, version, TOS» Aplicável apenas a pacotes não fragmentados ver. IHL TOS length IP identification flags fragment offset TTL min. encap. IP checksum IP address of HA care-of address COA lay. 4 protoc. S reserved IP checksum IP address of MN original sender IP address (if S=1) TCP/UDP/... payload IP 74 IP Móvel e IPv6 IP desenvolvido para IPv4. IPv6 simplifica protocolos» Segurança suportada nativamente IPv6» COA pode ser atribuído por auto-configuração» Qualquer router pode ser um FA " routers enviam mensagens de aviso» Suporte de soft-handover. Sem perda de pacotes Quando MN muda de rede visitada! avisa router antigo do seu novo COA Router antigo cria túnel para novo COA. Encaminha todos os pacotes recebidos