Arquitetura TCP/IP Prof. Ricardo J. Pinheiro

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1 Fundamentos de Redes de Computadores Arquitetura TCP/IP Prof. Ricardo J. Pinheiro

2 Resumo Histórico Objetivos Camadas Física Intra-rede Inter-rede Transporte Aplicação Ricardo Pinheiro 2

3 Histórico Anos 1960 Auge da Guerra Fria, entre EUA e URSS. DARPA Agência de Pesquisa Avançada em Defesa (EUA). Primeiras redes de computadores Universidades. Bases militares. Centros e institutos de pesquisa. Necessidade de interligá-las. Ricardo Pinheiro 3

4 Histórico Necessidades dessa rede: Interligar redes heterogêneas. Abstração do hardware empregado. Capacidade de roteamento. Rede distribuída sem nó central. Protocolo adotado amplamente nos anos 1970 e Expansão para o resto do mundo a partir dos anos Brasil 1988 (BitNet) Fim do financiamento do governo estadunidense, abertura para empresas crescimento exponencial. Ricardo Pinheiro 4

5 Objetivo da arquitetura TCP/IP: Interligar redes distintas de uma maneira: Padronizada. Simples. Modular. Nenhuma rede atende todas as necessidades de todos os usuários. Logo, cada um usa a sua estrutura física que for melhor, e a arquitetura TCP/IP "por cima". Camada física semelhante às camadas física e de enlace do modelo OSI. Não é definida pela arquitetura. Ricardo Pinheiro 5

6 Comparação entre os modelos Ricardo Pinheiro 6

7 Arquitetura TCP/IP Intra-redes Também conhecida como sub-redes. Interconexão com os níveis físico e de enlace. Ligação entre redes. Mapeamento dos endereços MAC em endereços de rede e vice-versa. Verificação de estado. Serviços de interconexão. Protocolos: ICMP e ARP. Ricardo Pinheiro 7

8 Arquitetura TCP/IP - inter-redes Roteamento entre redes, baseado em endereços e não em hosts. Endereços únicos designados por uma autoridade central IANA - Internet Assigned Numbers Board Interconexão e roteamento através de gateways. Protocolos: IP (v. 4 e v. 6) Ricardo Pinheiro 8

9 Arquitetura TCP/IP - transporte Serviço confiável orientado à conexão (Circuito Virtual) Seqüenciação Detecção e correção de erros fim-a-fim Porta, ou estação, ou ponto terminal. Conexão identificada por um par de pontos terminais Protocolos: TCP e UDP. Ricardo Pinheiro 9

10 Arquitetura TCP/IP - aplicação Protocolos que usam as camadas inferiores para oferecer serviços. Exemplos: Usam TCP: FTP, HTTP, NTTP, SSH, Telnet, SMTP, POP, IMAP, etc. Usam UDP: DNS, NFS, SMNP, NTP, TFTP, etc. Ricardo Pinheiro 10

11 Camada de inter-rede 2 máquinas só se "falam" se ambas souberem os respectivos endereços físicos. Endereço físico, ou endereço MAC: implementado na subcamada MAC da camada de enlace, e define um endereço único para cada dispositivo de rede: Ex: 00:0B:6C:4F:57:22 São 6 bytes: 3 bytes definem o fabricante, e 3 bytes definem o dispositivo. Total de 2^48 possibilidades: 2^24 fabricantes, cada um com 2^24 dispositivos. Ricardo Pinheiro 11

12 Protocolo ARP Protocolo de resolução de endereços. Traduz endereço de rede em endereço físico. Como funciona: A precisa enviar dados para B, mas só tem o endereço de rede de B, ou seja, IB. É preciso pegar o endereço físico de B (FB), e mapeá-lo em IB. A manda um mensagem em broadcast (todos os membros da rede recebem), pedindo que aquela máquina que tiver IB, que retorne seu endereço físico. B retorna, e A adiciona na sua tabela ARP uma nova entrada. * A implementação do comando ARP muda de acordo com o protocolo de acesso ao meio (Ethernet, Token Ring, FDDI, etc). Ricardo Pinheiro 12

13 Protocolo ARP (e RARP) O RARP (ARP Reverso) mapeia um endereço físico num endereço de rede, que pode ser usado em estações diskless (sem disco) e que inicializam pela rede. Comando: arp e rarp (Windows e Linux). Ricardo Pinheiro 13

14 Protocolo ICMP Protocolo de Controle de Mensagens entre Redes - permite que nós informem erros ou forneçam informações sobre o estado da rede. Achar que nunca vamos ter problemas numa rede é utópico: Falhas acontecem. Uma mensagem ICMP é tratada na camada de rede (IP). Comandos: ping e traceroute (Windows e Linux) Ricardo Pinheiro 14

15 Protocolo ICMP Algumas das possíveis mensagens são: Rede fora de alcance; Nó fora de alcance; Porta fora de alcance; Nó desconhecido; Rede destino desconhecida; Tempo de vida do pacote excedido; Pedido de eco (ping); Resposta de eco (pong); etc. O protocolo ICMP não detecta erros, leva a informação apenas ao seu destino, não aos nós intermediários. Ricardo Pinheiro 15

16 Camada de rede Um protocolo apenas, o IP (protocolo interredes), atualmente na versão 4 (IPv4). Roteia pacotes de um nó para o outro, na mesma rede ou em redes distintas. Usa comutação por pacotes com datagrama não-confiável. Ou seja, não garante a entrega dos pacotes e é não-orientado à conexão. Define também o endereçamento dos nós, o endereço IP. IPv4-4 bytes (octetos) IPv6 (em fase de adoção) - 8 bytes (octetos). Ricardo Pinheiro 16

17 Endereço IP (IPv4) Número binário de 32 bits Exemplo: Dividido em 4 octetos de 8 bits cada. Forma do endereço: x.y.z.w. Cada octeto está entre 0 e ^32 endereços possíveis. Representação decimal: Representação binária: Apesar do endereçamento ser eficiente, números são melhor entendidos por computadores, e nomes são melhor entendidos por pessoas. Ricardo Pinheiro 17

18 Classes de endereços IP Objetivo: facilitar o roteamento de pacotes. Octeto Classe Tipo Bits De Para Rede Máquina A Redes Até 8 Até 24 grandes B Redes Até 16 Até 16 médias C Redes Até 24 Até 8 pequenas D Multicast -X- -X E Reservado -X- -X- Ricardo Pinheiro 18

19 Endereços IP privados 127.x.y.z loopback - aponta para a própria máquina. Toda máquina com TCP/IP tem essa interface, e é usada para testes internos. O endereço mais usado é o Endereços reservados em cada classe Não podem ser usados em máquinas diretamente conectadas à Internet, mas através de um gateway. Classe Rede Máscara A 10.x.y.z B x.y C x Ricardo Pinheiro 19

20 Endereços IP privados (reservados) É importante usar endereços privados em redes privadas para evitar confusões no roteador, como rotear pacotes que deveriam ir para a rede interna, mas para a rede externa. Logo, o papel de um roteador é fazer a comunicação entre duas redes, fazendo a tradução dos endereços (NAT) entre a rede privada e a Internet. Ricardo Pinheiro 20

21 Sub-rede Mesmo em redes pequenas (classe C), podemos ter desperdício de endereços: Exemplo: Rede máquinas possíveis: definição da rede a endereços possíveis da rede broadcast. Temos 254 endereços possíveis. Se usarmos 10, teremos desperdício de 243 endereços. Sub-rede - usar mais bits do endereço para identificar a rede. Acima, poderíamos definir uma sub-rede onde o desperdício será menor. Usamos para isso a máscara de sub-rede. Ricardo Pinheiro 21

22 Máscara de sub-rede A máscara de sub-rede aponta quais bits são da rede, e quais são das máquinas. Exemplo: Máscara: octetos para rede ( ) e 1 octeto para máquinas (0) = 256 possibilidades. No caso de 10 máquinas, uma sub-rede ideal seria , com máscara (binário: ) Se a máscara for , teremos em binário , um número binário de 32 bits. Ricardo Pinheiro 22

23 Máscara de sub-rede - exemplo Temos um endereço classe C, como x. Quantas sub-redes com esse endereços são possíveis? Uma rede - Essa rede é a sub-rede, e teremos: ( ). Os endereços válidos são a definição da rede broadcast. Faixa de endereços válidos está entre a (254 endereços válidos). Ricardo Pinheiro 23

24 Máscara de sub-rede - exemplo Duas redes - Teremos: ( ). Os 3 primeiros octetos não mudam. No 4o octeto, colocamos um bit ligado, e assim criamos 2 sub-redes: 1a sub-rede: Broadcast: Endereços válidos: a (126 IPs válidos). 2a sub-rede: Broadcast: Endereços válidos: a (126 IPs válidos). Ricardo Pinheiro 24

25 Máscara de rede - exemplo 4 sub-redes - No último octeto teremos , que é 2 ⁷+2 ⁶=128+64=192. A máscara será As subredes serão: Todas elas terão 62 IPs válidos. 64 sub-redes - No último octeto seria: =2 ⁷+2 ⁶+2 ⁵+2 ⁴+2³+2²= =252. A máscara será Teremos 64 sub-redes, cada uma apenas 2 IPs válidos. Ricardo Pinheiro 25

26 Formato do datagrama IP 2 partes: cabeçalho: temos toda a informação necessária à identificação do datagrama, como: Versão do protocolo IP. Tamanho do datagrama. Fragmentação. Tempo de vida do pacote. Protocolo usado (TCP ou UDP). Endereços de origem e de destino. Entre outros. * Área de dados: Temos o pacote gerado pela camada superior, a camada de transporte. Ricardo Pinheiro 26

27 Camada de transporte Transfere de maneira confiável (ou não) dados entre duas máquinas. 2 protocolos definidos: TCP - Protocolo de controle de transmissão - confiável. UDP - Protocolo de datagrama do usuário - nãoconfiável. Aplicações cliente-servidor Softwares. Servidores, ou serviços - Provêm serviços para a rede. No Unix, são os daemons. Clientes - Fazem uso de serviços dados pelos servidores. * Podem haver vários servidores numa máquina só. Ricardo Pinheiro 27

28 Porta de comunicação Aplicação que quer se comunicar com o servidor precisa passar endereço de rede (IP) e também a porta de conexão (no). Cada serviço (servidor) roda numa porta, e vários tem portas padrão já definidas pela especificação do protocolo da camada de sessão. São 16 bits (65536 portas) para cada um dos 2 protocolos de transporte: HTTP - tcp/80 MSN - tcp/1863 IRC - udp/6667 FTP tcp/20 e 21 NTP - udp/123 SNMP - udp/161 SSH - tcp/22 DNS - udp/53 HTTPS - tcp/443 SMTP - tcp/25 POP - tcp/110 Torrent tcp/6881 a 6889 Ricardo Pinheiro 28

29 Portas de comunicação A porta de destino é definida a priori, mas pode-se ter outros servidores rodando em portas diferentes. O cliente é que deve saber disso. A porta de origem é usada pelo cliente, assim diferentes instâncias podem estar conectados a um mesmo servidor, a partir de um mesmo cliente. As portas de origem usadas são ao acaso, acima de Existem programas que buscam informações sobre nós, com base nas portas abertas encontradas. Ex.: nmap. Ricardo Pinheiro 29

30 Protocolo TCP Confiável e orientado à conexão. Interface para a aplicação, tornando transparente procedimentos como retransmissão, correção de erros, etc. Alguns dos serviços são: Estabelecimento e liberação de conexões. Transferência de dados. Multiplexação e segmentação Controles de erro e de fluxo. Ricardo Pinheiro 30

31 Protocolo TCP - cabeçalho O cabeçalho agrega informações como: Endereços de origem e destino. Número na sequência; Códigos Urgência no envio; Ack mensagem recebida; Reset da conexão; Etc. Tamanho - pode chegar a até 192 bits. Ricardo Pinheiro 31

32 Protocolo UDP Não confiável e não orientado à conexão. Não há garantias da entrega de dados, sequenciação, controles, etc. Mais leve, mais rápido e menos confiável. Cabeçalho resume-se a: Endereços de origem e destino; Tamanho da mensagem; Soma de checagem (que é opcional). Tamanho - no máximo 64 bits. Ricardo Pinheiro 32

33 Camada de aplicação Aqui temos muitos protocolos que operam usando os protocolos das camadas inferiores (TCP, IP, etc) para prover serviços. DNS Sistema de Nomes de Domínio IPs são uma maneira eficiente de endereçamento para as redes, mas muito ruim para os usuários. Serviço de DNS - associa um IP a um nome simbólico. O banco de dados de nomes é gerenciado por uma organização em cada país - no Brasil, a FAPESP (http://registro.br). Ricardo Pinheiro 33

34 DNS nomes hierárquicos Analogia com o sistema postal: Exemplo: lyric.labma.ufrj.br (lyrix incluído em labma, que está incluído em ufrj, que está incluído em br). br - domínio por país. ufrj e labma - sub-domínios. lyric - máquina. Estrutura hierárquica dos servidores DNS: Máquina pede resolução de nome ao DNS. Se sim, volta o IP. Se não, o DNS pede ao próximo DNS. Pode chegar num dos DNS-raiz da Internet. Se sim, o endereço resolvido volta no sentido contrário. Se não, o DNS propaga uma mensagem de que o endereço não existe. Ricardo Pinheiro 34

35 DNS Comandos para investigar o DNS: nslookup (Windows, Unix), dig, host (Unix). Opera na porta 53, no protocolo UDP, e é inseguro. Soluções para melhorar a segurança, como: DNSSEC - uso de autenticação e criptografia. DNS reverso - resolve IPs em nomes. Ataques de envenenamento de cache o endereço está certo, mas aponta para um IP malicioso. Ricardo Pinheiro 35

36 URL Universal Resource Locator Maneira simples e eficiente de apontar onde está um arquivo (rede ou disco local). Exemplo: )Protocolo: http, ftp, wais, gopher, file, etc. 2)Separador. 3)Usuário e senha (quando necessário). 4)Nome de domínio 5)Caminho dentro do site 6)Nome do arquivo. Ricardo Pinheiro 36

37 Outros serviços HTTP - Protocolo de transferência de hipertexto - base da Web, junto com a linguagem HTML e os navegadores. Porta TCP 80. FTP - Protocolo de transferência de arquivos - Porta TCP 20 e 21, SSH - Terminal seguro - Porta TCP 22. Outros protocolos: telnet (TCP/23), whois (TCP/43), TFTP (UDP/69), POP3 (TCP/110), NNTP (TCP/119), IMAP (TCP/143), etc. Todos operam numa arquitetura clienteservidor. Ricardo Pinheiro 37

38 Questões de segurança HTTPS, DNSSEC, SMTPS, POPS, IMAPS, SSH - protocolos que usam cifragem (criptografia) para aumentar a segurança no diálogo cliente-servidor, desmotivando ataques do tipo "homem no meio" (a informação que vai do cliente para o servidor é copiada por um intruso). Uso de criptografia de chave assimétrica: Chave pública fica no cliente, e é usada para cifrar a mensagem. Chave privada fica no servidor, e é usada para descifrar a mensagem. Ricardo Pinheiro 38

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