Arquitetura do Protocolo da Internet. Aula 05 - Protocolos de Roteamento. Prof. Esp. Camilo Brotas Ribeiro cribeiro@catolica-es.edu.

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1 Arquitetura do Protocolo da Internet Aula 05 - Protocolos de Roteamento Prof. Esp. Camilo Brotas Ribeiro cribeiro@catolica-es.edu.br

2 Revisão Roteamento; Gateway; Tabelas de Roteamento; Slide 2 de 82

3 Rotas?! Slide 3 de 82

4 Roteador Um roteador é um computador, assim como qualquer outro, inclusive um PC; Os roteadores têm muitos componentes de hardware e de software iguais aos encontrados em outros computadores, inclusive: CPU, RAM, ROM, Sistema operacional, etc. Slide 4 de 82

5 Roteador Slide 5 de 82

6 Roteador Slide 6 de 82

7 Compartilhamento de Rotas O roteamento requer que todos os saltos ou roteadores ao longo do caminho para o destino de um pacote tenham uma rota para encaminhar o pacote. Do contrário, o pacote será descartado nesse salto; Cada roteador no caminho não precisa de uma rota para todas as redes; Ele só precisa conhecer o próximo salto do caminho para a rede de destino do pacote; Slide 7 de 82

8 Compartilhamento de Rotas A tabela de roteamento contém as informações que o roteador usa em suas decisões de encaminhamento de pacotes; Para as decisões de roteamento, a tabela de roteamento precisa descrever o estado mais preciso dos caminhos de rede que o roteador pode acessar; A desatualização das informações de roteamento implica na impossibilidade de encaminhar os pacotes para o próximo salto mais apropriado, causando atrasos ou perda de pacotes. Slide 8 de 82

9 Compartilhamento de Rotas Estas informações de rotas podem ser configuradas manualmente no roteador ou aprendidas dinamicamente através de outros roteadores da mesma rede; Depois que as interfaces de um roteador estiverem configuradas e operando, a rede associada a cada interface será instalada na tabela de roteamento como uma rota diretamente conectada. Slide 9 de 82

10 Compartilhamento de Rotas Slide 10 de 82

11 Compartilhamento de Rotas As seguintes analogias podem ajudar a esclarecer o conceito de rotas conectadas, estáticas e dinâmicas: Rotas conectadas diretamente - para visitar um vizinho, você só precisa descer a rua onde mora. Esse caminho é semelhante a uma rota conectada diretamente porque o "destino" está disponível diretamente por meio da "interface conectada", a rua. Slide 11 de 82

12 Compartilhamento de Rotas Rotas estáticas - um trem usa a mesma ferrovia sempre para uma rota especificada. Esse caminho é semelhante a uma rota estática porque o caminho para o destino é sempre o mesmo. Rotas dinâmicas - ao dirigir um carro, você pode escolher um caminho diferente "dinamicamente" com base no tráfego, no tempo ou em outras condições. Esse caminho é semelhante a uma rota dinâmica porque você pode escolher um novo caminho em muitos pontos diferentes para o destino ao longo do caminho. Slide 12 de 82

13 Roteamento Estático As rotas para redes remotas com os próximos saltos associados podem ser configuradas manualmente no roteador; Isso é conhecido como roteamento estático; Uma rota padrão também pode ser configurada estaticamente. Slide 13 de 82

14 Roteamento Estático Se o roteador está conectado a outros roteadores, é requerido o conhecimento da estrutura da conexão entre redes; Para assegurar que os pacotes sejam roteados para os melhores próximos saltos possíveis, cada rede de destino conhecida precisa ter uma rota ou uma rota padrão configurada; Em razão dos pacotes serem encaminhados a cada salto, todos os roteadores devem ser configurados com rotas estáticas para os próximos saltos que reflitam sua localização na conexão entre redes; Slide 14 de 82

15 Roteamento Estático Além disso, como a estrutura da conexão entre redes muda com a disponibilidade de novas redes, estas mudanças terão que ser inseridas por atualização manual em todos os roteadores; Se a atualização não for realizada a tempo, as informações de roteamento podem ficar incompletas ou imprecisas, resultando em atrasos e possíveis perdas de pacotes; Slide 15 de 82

16 Roteamento Estático Normalmente, as rotas mudam muito lentamente ao longo do tempo, muitas vezes como resultado de intervenção humana (por exemplo, uma pessoa editando manualmente a tabela de repasse do roteador). Tabelas de Roteamento estáticas só funcionam em redes pequenas porque: Rotas podem apresentar problemas; Rotas podem ser excluídas; Rotas podem ser adicionadas; Cada mudança dessas deveria ser feita em cada Roteador! Slide 16 de 82

17 Roteamento Estático Slide 17 de 82

18 Roteamento Estático Uma rota estática inclui o endereço de rede e a máscara de sub-rede da rede remota, além do endereço IP do roteador do próximo salto ou da interface de saída; As rotas estáticas são denotadas com o código S na tabela de roteamento como mostrado na figura. Slide 18 de 82

19 Roteamento Estático Slide 19 de 82

20 Roteamento Estático Quando usar rotas estáticas? As rotas estáticas devem ser usadas nos seguintes casos: Uma rede consiste em alguns roteadores. Nesse caso, usar um protocolo de roteamento dinâmico não apresenta nenhum benefício significativo. Pelo contrário, o roteamento dinâmico pode adicionar mais sobrecarga administrativa; Slide 20 de 82

21 Roteamento Estático Uma rede é conectada à Internet apenas por meio de um único ISP. Não há nenhuma necessidade de usar um protocolo de roteamento dinâmico nesse enlace porque o ISP representa o único ponto de saída para a Internet; Uma grande rede é configurada em uma topologia huband-spoke. Uma topologia hub-and-spoke consiste em um local central (o hub) e vários locais de filial (spokes), com cada spoke tendo apenas uma conexão com o hub. Usar o roteamento dinâmico seria desnecessário porque cada filial só tem um caminho para um determinado destino no local central; Slide 21 de 82

22 Roteamento Dinâmico Embora seja essencial para todos os roteadores ter um conhecimento abrangente das rotas, a manutenção da tabela de roteamento por configuração estática manual nem sempre é possível; Portanto, são utilizados os protocolos de roteamento dinâmico; Os protocolos de roteamento são o conjunto de regras pelas quais os roteadores compartilham dinamicamente suas informações de roteamento. Slide 22 de 82

23 Roteamento Dinâmico Slide 23 de 82

24 Roteamento Dinâmico Na figura, R1 aprendeu automaticamente a rede /24 de R2 pelo protocolo de roteamento dinâmico, o Protocolo de Informações de Roteamento (RIP, Routing Information Protocol); RIP é um dos primeiros protocolos de roteamento IP; Slide 24 de 82

25 Roteamento Dinâmico A tabela de roteamento de R1 na figura mostra que R1 aprendeu aproximadamente duas redes remotas: uma rota que usou o RIP dinamicamente e uma rota estática que foi configurada manualmente; Este é um exemplo de como tabelas de roteamento podem conter rotas aprendidas dinamicamente e configuradas estaticamente, não sendo necessariamente uma representação da melhor configuração para essa rede; Slide 25 de 82

26 Roteamento Dinâmico Os protocolos de roteamento dinâmico são usados por roteadores para compartilhar informações sobre o alcance e o status de redes remotas. Os protocolos de roteamento dinâmico executam várias atividades, inclusive: Detecção de rede; Atualização e manutenção das tabelas de roteamento; Slide 26 de 82

27 Roteamento Dinâmico Detecção de rede automática: é a capacidade de um protocolo de roteamento de compartilhar informações sobre as redes aprendidas com outros roteadores que também estão usando o mesmo protocolo de roteamento. Permite aos roteadores aprender automaticamente essas redes com outros roteadores; Essas redes - e o melhor caminho para cada rede - são adicionadas à tabela de roteamento do roteador e denotadas como uma rede aprendida por um protocolo de roteamento dinâmico específico; Slide 27 de 82

28 Roteamento Dinâmico Mantendo tabelas de roteamento: após a detecção de rede inicial, os protocolos de roteamento dinâmico atualizam e mantêm as redes em suas tabelas de roteamento. Não apenas criam uma determinação de melhor caminho para várias redes, mas também determinam um novo melhor caminho caso o caminho inicial fique inutilizável (ou caso a topologia seja alterada); Têm uma vantagem em relação a rotas estáticas, compensando qualquer alteração feita na topologia sem envolver o administrador de rede; Slide 28 de 82

29 Roteamento Dinâmico Conforme os roteadores aprendem as alterações ocorridas nas rede nas quais atuam como gateways, ou aprendem as alterações nos links entre os roteadores, estas informações são passadas para outros roteadores; Quando um roteador recebe informações sobre novas rotas ou alteração de rotas, ele atualiza sua própria tabela de roteamento e, por sua vez, passa essas informações para outros roteadores. Slide 29 de 82

30 Roteamento Dinâmico Desse modo, todos os roteadores possuem tabelas de roteamento precisas que são atualizadas dinamicamente e podem aprender rotas para redes remotas que se localizam a muitos saltos de distância; A figura mostra um exemplo de um roteador compartilhando rotas. Slide 30 de 82

31 Roteamento Dinâmico Slide 31 de 82

32 Roteamento Dinâmico Há vários protocolos de roteamento dinâmico para IP. Os protocolos de roteamento comuns são: Routing Information Protocol (RIP); Open Shortest Path First (OSPF); Border Gateway Protocol (BGP); Outros: IGRP (Interior Gateway Protocol); EIGRP (Enhanced IGRP), etc. Slide 32 de 82

33 Roteamento Dinâmico Embora os protocolos de roteamento forneçam tabelas de roteamento atualizadas aos roteadores, existem custos; Primeiro, a troca de informações de rotas adiciona overhead, que consome a largura de banda da rede; Este overhead pode ser um problema, especialmente para os links de baixa largura de banda entre os roteadores; Slide 33 de 82

34 Roteamento Dinâmico Em segundo lugar, as informações de rotas que um roteador recebe são processadas intensivamente por protocolos como EIGRP e OSPF, para criar as entradas n da tabela de roteamento; Isso significa que os roteadores que empregam estes protocolos precisam ter capacidade de processamento suficiente tanto para implementar os algoritmos dos protocolos como para realizar em tempo hábil o roteamento e o encaminhamento dos pacotes; Slide 34 de 82

35 Roteamento Dinâmico O roteamento estático não produz nenhum overhead na rede e insere as entradas diretamente na tabela de roteamento; Não requer nenhum processamento por parte do roteador; O custo do roteamento estático é administrativo: a configuração e manutenção manuais da tabela de roteamento asseguram um roteamento eficiente; Slide 35 de 82

36 Roteamento Dinâmico Em muitas conexões de redes, são usadas combinações de rotas estáticas, dinâmicas e padrão para fornecer as rotas necessárias. Slide 36 de 82

37 Melhor Caminho e Métrica Determinar o melhor caminho de um roteador envolve a avaliação de vários caminhos para a mesma rede de destino e selecionar o caminho ideal ou mais "curto" para alcançar essa rede; Sempre que há vários caminhos para alcançar a mesma rede, cada caminho usa uma interface de saída diferente no roteador para alcançar essa rede; O melhor caminho é selecionado por um protocolo de roteamento com base no valor ou na métrica usado para determinar a distância para alcançar uma rede; Slide 37 de 82

38 Melhor Caminho e Métrica Alguns protocolos de roteamento, como RIP, usam a contagem de saltos simples, o número de roteadores entre um roteador e a rede de destino; Outros protocolos de roteamento, como OSPF, determinam o caminho mais curto, examinando a largura de banda dos enlaces e usando os enlaces com a largura de banda mais rápida de um roteador para a rede de destino; Duas das métricas usadas por alguns protocolos de roteamento dinâmico são contagem de saltos e largura de banda; Slide 38 de 82

39 Melhor Caminho e Métrica Os protocolos de roteamento dinâmico normalmente usam suas próprias regras e as métricas para criar e atualizar tabelas de roteamento; Métrica é o valor quantitativo usado para medir a distância até uma determinada rota. O melhor caminho para uma rede é o caminho com a menor métrica; Por exemplo, um roteador irá preferir um caminho a 5 saltos do que um caminho que está a 10 saltos; Slide 39 de 82

40 Melhor Caminho e Métrica O principal objetivo do protocolo de roteamento é determinar os melhores caminhos para cada rota a ser incluída na tabela de roteamento; O algoritmo de roteamento gera um valor, ou uma métrica, para cada caminho na rede; As métricas podem se basear em uma única característica ou em várias características de um caminho. Alguns protocolos de roteamento podem basear a seleção de rota em várias métricas, integrando-as a uma única métrica; Quanto menor for o valor da métrica, melhor será o caminho; Slide 40 de 82

41 Contagem de Saltos A contagem de saltos é o número de roteadores que um pacote deve percorrer até alcançar seu destino. Cada roteador é igual a um salto. Uma contagem de quatro saltos indica que um pacote deve percorrer quatro roteadores para alcançar seu destino. Se houver vários caminhos disponíveis para um destino, o protocolo de roteamento, como RIP, irá escolher o caminho com o menor número de saltos; Quando a contagem de saltos é usada como métrica, o caminho resultante pode, às vezes, ser inferior ao ideal. Slide 41 de 82

42 Contagem de Saltos Slide 42 de 82

43 Largura de Banda É a capacidade de dados de um enlace (número de bits que podem ser transmitidos em um enlace por segundo), às vezes conhecida como a velocidade do enlace. Por exemplo, a implementação da Cisco do protocolo de roteamento OSPF usa largura de banda como sua métrica. O melhor caminho para uma rede é determinado pelo caminho com um acúmulo de enlaces com os maiores valores de largura de banda, ou os enlaces mais rápidos. Slide 43 de 82

44 Largura de Banda Slide 44 de 82

45 Balanceamento de Carga de Mesmo Custo O que irá acontece se uma tabela de roteamento tiver dois ou mais caminhos com a mesma métrica para a mesma rede de destino? Quando um roteador tem vários caminhos para uma rede de destino e o valor dessa métrica (contagem de saltos, largura de banda etc.) é igual, isso é conhecido como métrica de mesmo custo, e o roteador irá executar o balanceamento de carga de mesmo custo. Slide 45 de 82

46 Balanceamento de Carga de Mesmo Custo A tabela de roteamento irá conter a única rede de destino, mas terá várias interfaces de saída, uma para cada caminho de mesmo custo. O roteador irá encaminhar pacotes que usam as várias interfaces de saída listadas na tabela de roteamento; Se for configurado corretamente, o balanceamento de carga poderá aumentar a eficiência e o desempenho da rede. O balanceamento de carga de mesmo custo pode ser configurado para usar protocolos de roteamento dinâmico e rotas estáticas; Slide 46 de 82

47 Balanceamento de Carga de Mesmo Custo Slide 47 de 82

48 Campos de Pacote e de Quadro Os roteadores tomam sua decisão primária de encaminhamento, examinando o endereço IP de destino de um pacote; Antes de enviar um pacote pela interface de saída apropriada, o pacote IP precisa ser encapsulado em um quadro de enlace da Camada 2. Vamos revisar o formato de um pacote IP de Camada 3 e um quadro Ethernet de Camada 2: Slide 48 de 82

49 Formato de pacote IP (Internet Protocol) Protocolo especificado na RFC 791; O cabeçalho de pacote IP tem campos específicos que contêm informações sobre o pacote e sobre os hosts de envio e de recebimento; Slide 49 de 82

50 Formato de pacote IP (Internet Protocol) Versão número de versão (4 bits), a versão predominante é o IP versão 4 (IPv4) Comprimento de cabeçalho (IHL) comprimento do cabeçalho em palavras de 32 bits (4 bits) Precedência e tipo de serviço o campo Tipo de Serviço contém um valor binário de 8 bits que é usado para determinar a prioridade de cada pacote (QoS qualidade de serviço) Slide 50 de 82

51 Formato de pacote IP (Internet Protocol) Comprimento do pacote comprimento total (cabeçalho + dados) (16 bits) Identificação o valor de datagrama IP exclusivo (16 bits) Flags controlam a fragmentação (3 bits) Deslocamento de fragmento oferece suporte à fragmentação de datagramas para permitir diferir MTUs (Maximum Transmission Units, Unidades de transmissão máxima) na Internet (13 bits) Slide 51 de 82

52 Formato de pacote IP (Internet Protocol) Tempo de vida (TTL) identifica quantos roteadores podem ser percorridos pelo datagrama antes de ser descartado (8 bits) Protocolo protocolo de camada superior que envia o datagrama (8 bits) Checksum do cabeçalho verificação de integridade no cabeçalho (16 bits) Slide 52 de 82

53 Formato de pacote IP (Internet Protocol) Endereço IP de origem endereço IP de origem de 32 bits (32 bits) Endereço IP de destino endereço IP de destino de 32 bits (32 bits) Opções de IP testes de rede, depuração, segurança e outros (0 ou 32 bits, raramente utilizados) Slide 53 de 82

54 Formato de quadro da Camada de Enlace O quadro de enlace de dados da Camada 2 normalmente contém informações de cabeçalho com um endereço de origem e de destino de enlace de dados (endereços MAC), informações de trailer e os dados transmitidos reais. Quando um pacote é encaminhado de um roteador para outro, os endereços IP de origem e de destino da Camada 3 não serão alterados. No entanto, os endereços do enlace de dados de origem e de destino da Camada 2 serão alterados. Slide 54 de 82

55 Formato de quadro da Camada de Enlace O pacote IP de Camada 3 é encapsulado no quadro de enlace da Camada 2 associado a essa interface. No exemplo, é abordado o quadro Ethernet da Camada 2. A figura mostra as duas versões compatíveis de Ethernet Slide 55 de 82

56 Formato de quadro da Camada de Enlace Slide 56 de 82

57 Formato de pacote IP (Internet Protocol) Preâmbulo sete bytes de 1s e 0s alternados, usados para sincronizar sinais Delimitador SOF (Start-of-frame, Início do quadro) 1 byte que sinaliza o início do quadro Endereço de destino endereço MAC de 6 bytes do dispositivo de envio no segmento local Endereço de origem endereço MAC de 6 bytes do dispositivo de recebimento no segmento local Slide 57 de 82

58 Formato de pacote IP (Internet Protocol) Tipo/comprimento 2 bytes que especificam o tipo de protocolo de camada superior (formato de quadro Ethernet II) ou o comprimento do campo de dados (formato de quadro IEEE 802.3) Dados e bloco 46 a 1500 bytes de dados; zeros usados para incluir um pacote de dados inferior a 46 bytes Seqüência de Verificação de Quadros (FCS, Frame check sequence) 4 bytes usados em uma verificação de redundância cíclica para ter certeza de que o quadro não esteja corrompido Slide 58 de 82

59 Determinação do Caminho Encaminhar pacotes envolve duas funções: Função de determinação do caminho Função de comutação Para determinar o melhor caminho, o roteador pesquisa sua tabela de roteamento em busca de um endereço de rede correspondente ao endereço IP de destino do pacote. Slide 59 de 82

60 Determinação do Caminho Uma das três determinações de caminho é resultante dessa pesquisa: Rede conectada diretamente se o endereço IP de destino do pacote pertencer a um dispositivo em uma rede conectada diretamente a uma das interfaces do roteador, esse pacote será encaminhado diretamente para o dispositivo. Isso significa que o endereço IP de destino do pacote é um endereço de host na mesma rede da interface do roteador. Slide 60 de 82

61 Determinação do Caminho Rede remota se o endereço IP de destino do pacote pertencer a uma rede remota, o pacote será encaminhado para outro roteador. As redes remotas só podem ser alcançadas encaminhandose pacotes para outro roteador. Nenhuma rota determinada se o endereço IP de destino do pacote não pertencer a uma rede conectada ou remota e se o roteador não tiver uma rota padrão, o pacote será descartado. O rotador envia uma mensagem inalcançável ICMP para o endereço IP de origem do pacote. Slide 61 de 82

62 Determinação do Caminho Nos dois primeiros resultados, o roteador reencapsula o pacote IP no formato do quadro de enlace de dados da Camada 2 da interface de saída. O tipo de encapsulamento da Camada 2 é determinado pelo tipo de interface. Por exemplo, se a interface de saída for FastEthernet, o pacote será encapsulado em um quadro Ethernet. Se a interface de saída for uma interface serial configurada para PPP, o pacote IP será encapsulado em um quadro PPP. Slide 62 de 82

63 Função de Comutação Depois que o roteador determinar a interface de saída usando a função de determinação do caminho, o roteador irá precisar encapsular o pacote no quadro do enlace de dados da interface de saída. A função de comutação é o processo usado por um roteador para aceitar um pacote em uma interface e encaminhá-lo usando outra interface. Uma das principais responsabilidades da função de comutação é encapsular pacotes no tipo apropriado do quadro de enlace de dados para o link de dados de saída. Slide 63 de 82

64 Função de Comutação O que um roteador faz com um pacote recebido de uma rede e com destino a outra rede? O roteador executa as três seguintes etapas principais: 1. Desencapsula o pacote da Camada 3, removendo o cabeçalho e o trailer do quadro da Camada 2 2. Examina o endereço IP de destino do pacote IP para localizar o melhor caminho na tabela de roteamento. 3. Encapsula o pacote de Camada 3 em um novo quadro de Camada 2 e encaminha o quadro pela interface de saída. Slide 64 de 82

65 Função de Comutação Etapa 1 Slide 65 de 82

66 Função de Comutação Etapa 1 Slide 66 de 82

67 Função de Comutação Etapa 2 Slide 67 de 82

68 Função de Comutação Etapa 2 Slide 68 de 82

69 Função de Comutação Etapa 2 Slide 69 de 82

70 Função de Comutação Etapa 2 Slide 70 de 82

71 Função de Comutação Etapa 2 Slide 71 de 82

72 Função de Comutação Etapa 3 Slide 72 de 82

73 Função de Comutação Etapa 3 Slide 73 de 82

74 Função de Comutação Etapa 3 Slide 74 de 82

75 Função de Comutação Etapa 3 Slide 75 de 82

76 Função de Comutação Etapa 4 Slide 76 de 82

77 Função de Comutação Etapa 4 Slide 77 de 82

78 Função de Comutação Etapa 4 Slide 78 de 82

79 Função de Comutação Etapa 4 Slide 79 de 82

80 Função de Comutação Acabamos de examinar o encapsulamento e o processo de desencapsulamento de um pacote quando ele é encaminhado de roteador para roteador, do dispositivo de origem para o dispositivo de destino final. Os roteadores não estão envolvidos apenas em decisões de roteamento da Camada 3, mas que também participam de processos da Camada 2, inclusive encapsulamento, e em redes Ethernet, ARP. Roteadores também participam de Camada 1, usada para transmitir e receber os bits de dados no meio físico. Slide 80 de 82

81 Referências Bibliográficas Cisco Networking Academy. CCNA Exploration Fundamentos de Rede CRUZ, A. O.; Roteamento IP (com adaptações) KUROSE, J. F.; ROSS, K. W. Redes de Computadores e a Internet. 3 ed. São Paulo: Pearson Addison Wesley, 2006 LUCAS, J. E. S.; Aula 02 e 03 - Arquitetura e Protocolos de Redes de Computadores (com adaptações) Slide 81 de 82

82 Arquitetura do Protocolo da Internet Obrigado!!! Prof. Esp Camilo Brotas Ribeiro Slide 82 de 82