1 Arquitectura de redes.modelos de referência OSI e TCP/IP

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1 1 Arquitectura de redes 1 Arquitectura de redes.modelos de referência OSI e TCP/IP 1/58

2 1.1 Introdução. Protocolos de comunicação 1.1 Introdução. Protocolos de comunicação 2/58

3 Protocolos de comunicação No processo de comunicações entre computadores a preocupação vai muito além da distância, meio físico e tipo de rede Tem que ser estabelecido um caminho ou ligação de dados entre computadores O computador de origem tem que se certificar que o computador de destino está preparado para receber os dados O Formato dos dados entre os dois sistemas poderá ser incompatível. Terá que haver um processo de tradução de dados de forma a que estes sejam compreendidos no destino. Ex: Transferência de ficheiros ASCII entre um PC Windows e sistema UNIX É necessário um alto grau de cooperação entre os computadores que intervêm na transmissão de dados Introdução de dois conceitos chave : 1. Protocolos de comunicação 2. Arquitectura do sistema de comunicação ou dos protocolos de comunicação 3/58

4 Conceito de protocolo Protocolos de comunicação Conceitos protocolos Conjunto de regras que regulam a comunicação entre entidades homólogas (peer entities), que residem em computadores ou sistemas diferentes Entidades São os programas ou software de comunicações (Aplicações para correio electrónico, bases de dados relacionais, transferência de ficheiros, etc.) Sistemas São os computadores, terminais, sensores remotos, etc. 4/58

5 Protocolos de comunicação Funções dos protocolos de comunicações Estabelecer e terminar ligações Controlo de erros Controlo da ordem das mensagens (Sequência) Controlo do fluxo de dados (Assimetrias na rede e entre origem destino) Segmentação das mensagens Multiplexagem do meio físico Formatação dos dados e níveis de sinal adequados Escolha do caminho das mensagens através da rede 5/58

6 Arquitectura dos protocolos de comunicações Arquitectura do sistema de comunicação É um bloco complexo de software e hardware Tem que realizar um conjunto muito diversificado de funções Arquitecturas dos protocolos de comunicação Possíveis arquitecturas do sistema de comunicação Monolítica ou num único bloco fechado Difícil de testar, corrigir e melhorar Qualquer alteração implica o desenvolvimento e modificação de todo o bloco Por camadas ou Layers (Modelo hierárquico) Implementação independente de cada camada de software Divisão de tarefas por cada camada Fácil reutilização e troca de partes de código Alterações, correcções e melhoramentos apenas afectam uma camada, não sendo necessário alterar todo o bloco de software (ou pilha) de protocolos 6/58

7 Modelo hierárquico ou por camadas Exemplo de divisão de tarefas Arquitectura dos protocolos de comunicações Emissor e Receptor falam línguas diferentes 3 Location A I like rabbits Message Philosopher Location B J'aime bien les lapins 3 Tradutora (Só necessita de falar com o seu par) 2 L: Dutch Ik vind konijnen leuk Information for the remote translator Translator L: Dutch Ik vind konijnen leuk 2 Secretária : Formata e envia os dados para o par 1 Fax #--- L: Dutch Ik vind konijnen leuk Information for the remote secretary Secretary Fax #--- L: Dutch Ik vind konijnen leuk 1 7/58

8 Arquitectura dos protocolos de comunicações Exemplo de Modelo hierárquico de 3 camadas Camada de Aplicação: Aplicação de correio electrónico, transferência de ficheiros, acesso remoto, etc. Camada de Transporte: Transferência de dados extremo a extremo. Em alguns casos pretende-se que esta seja. ordenada e fiável Independente da rede e da aplicação Camada de Acesso à rede: Troca de dados entre o computador e a rede (Acesso ao serviço disponibilizado pela rede) O computador de origem fornece à rede o endereço do computador de destino, de modo a esta encaminhar correctamente os dados até de destino 8/58

9 Arquitectura dos protocolos de comunicações Relação entre serviços e protocolos Camadas fornecem serviços às camadas superiores Protocolos são procedimentos entre camadas idênticas residentes no sistema de destino (peer entities) 9/58

10 Arquitectura dos protocolos de comunicações Hierarquias protocolares Interfaces Hierarquias protocolares Protocolos (entre a mesma camada) 10/58

11 Arquitectura dos protocolos de comunicações Métodos de endereçamento Requisitos de endereçamento num modelo hierárquico Necessários dois níveis de endereçamento (neste exemplo específico) Cada computador necessita de um endereço único na rede (Camada Network) Cada aplicação residente num computador multitarefa necessita de um endereço ou identificador único nesse computador Endereço da Aplicação (SAP) no computador Endereço Computador na rede 11/58

12 Arquitectura dos protocolos de comunicações PDU e SDU Unidade de dados protocolar (PDU ou protocol data unit) Os protocolos são utilizados em cada camada para comunicação entre pares Em cada camada é adicionada Informação de controlo adicional (cabeçalho) A camada de transporte poderá fragmentar os dados do utilizador Por cada fragmento é adicionado um cabeçalho correspondente à camada de transporte SAP (service accesss point) de destino Número de sequência Código para detecção de erros A camada de rede adiciona Endereço de rede do computador de destino Facilidades adicionais para tratamento na rede Isto resulta numa unidade de dados protocolar (Transport PDU) Isto resulta numa unidade de dados protocolar (Network PDU) 12/58

13 Arquitectura dos protocolos de comunicações Unidade de dados protocolar (PDU ou protocol data unit) Na camada de rede, uma unidade de dados protocolar é chamada de pacote 13/58

14 Arquitectura dos protocolos de comunicações Operação do modelo por camadas Operação do modelo por camadas Nota: Todo este processo introduz um conceito novo: Overhead 14/58

15 1.2 O Modelo OSI da ISO 1.2 Modelo OSI da ISO 15/58

16 Modelo OSI OSI Open Systems Interconnection (Interligação de sistemas abertos) Modelo de referência da ISO (International Standards organization) Surgiu em Introdução e organização do modelo Primeiro passo na definição de um modelo standard de protocolos de comunicações entre sistemas a nível internacional Composto por sete camadas. Cada camada fornece um conjunto de funções à camada superior, baseando-se nas funções que lhe são fornecidas pela camada inferior 16/58

17 Modelo OSI Organização do modelo Divisão em duas funções básicas Funções orientadas à aplicação Funções dependentes da rede 17/58

18 Modelo OSI Organização do modelo Camadas orientadas à aplicação Camada de interface rede-aplicação Camadas dependentes da rede 18/58

19 Modelo OSI Organização do modelo Camadas orientadas à aplicação Sessão, Apresentação e Aplicação Estão relacionadas com o sistema operativo e o computador Camada de interface Transporte Fornece uma interface independente da rede para ser usado pelas camadas orientadas à aplicação Camadas dependentes da rede Física, ligação de dados e rede Dependem do meio físico de transmissão e da topologia de rede Os sistemas de transmissão e comunicação de dados, operam normalmente nas três camadas dependentes da rede (física, ligação e rede) 19/58

20 Modelo OSI Funcionamento do modelo Funcionamento do modelo Transmissão Encapsulamento de dados Recepção Desencapsulamento de dados PDU = Protocol data Unit Network PDU = Pacote Datalink = Frame ou trama 20/58

21 Modelo OSI Funções de cada camada Funções de cada nível ou camada 7 Aplicação ou interface com o utilizador 6 Formatação dos dados. Encriptação de dados 5 4 Sincronização de aplicações Transferência de dados extremo a extremo 3 l 2 l 1 l Endereçamento lógico e encaminhamento na rede. Estabelecimento e libertação de ligações Controlo da ligação de dados. Detecção de erros Definições mecânicas e eléctricas da interface de rede. Modulação do sinal. Codificação. 21/58

22 Modelo OSI Funções do nível físico (camada 1) 22/58

23 Modelo OSI Funções do nível físico (camada 1) Unidade de dados deste nível é o bit Define a interface mecânica: Tipos de ficha, cablagem e quantidade de pinos do conector Define as características eléctricas do sinal: Tensões para representar 0 e 1, duração dos bits, balanceamento do sinal,tipo de modulação, tipo de codificação, sincronismo. Define as características de procedimentos de ligação mecânicos: forma de utilização dos pinos, forma de estabelecer e terminar a ligação Controlo de fluxo ou congestionamento de dados por hardware (RTS/CTS). Este controlo está associado aos buffers de recepção de dados do computador ou nó de rede. Define se a comunicação é bi-direccional, full duplex, half duplex, etc. Define o débito binário (ritmo binário de transmissão) 23/58

24 Modelo OSI Funções do nível de ligação de dados (camada 2) 24/58

25 Modelo OSI Funções do nível de ligação de dados (camada 2) Unidade de dados deste nível é a trama de dados (frame) Delimitação ou estrutura os pacotes de dados em tramas usando padrões especiais de bits no início e no fim (Flag, start bit, SYNC) Retransmissão de tramas erradas ou sem resposta. (através de mecanismos de ack/nack ou timers) Sequenciamento das tramas (implementação de números de sequência na emissão e na recepção) de modo a re-enviar uma trama fora de sequência. Controlo de fluxo ou congestionamento de tráfego por software através de envio de mensagens (Ex: RR/RNR, XON/XOFF). Este controlo está associado aos buffers de recepção de dados do computador ou nó de rede. As redes locais (modo difusão) lidam ainda com a questão do acesso ao canal compartilhado e implementam mecanismos de contenção ao meio. 25/58

26 Modelo OSI Funções do nível de rede (camada 3) 26/58

27 Modelo OSI Funções do nível de rede (camada 3) Unidade de dados deste nível é o pacote de dados Responsável pelo encaminhamento dos pacotes na rede até ao destino Encaminhamento estático ou manual é definido pelo operador Encaminhamento dinâmico ou automático é definido pela rede, baseando-se em parâmetros de qualidade e custo pré-definidos. Reencaminha os dados automaticamente em casos de falha na rede Indicam a qualidade de serviço pretendida pela aplicação à rede Detecção,recuperação de erros da camada 2 e reenvio de pacotes Já implementados no nível 2! Sequenciamento dos pacotes (implementação de números de sequência na emissão e na recepção) de modo a re-enviar um pacote fora de sequência. Controlo de fluxo ou congestionamento de tráfego por software através de envio de mensagens (RR/RNR ou windowing). Este controlo está associado às condições de tráfego da rede 27/58

28 Modelo OSI Funções do nível de transporte (camada 4) Funcionamento extremo a extremo 28/58

29 Modelo OSI Funções do nível de transporte (camada 4) Unidade de dados deste nível é Transport PDU (unidade protocolar de dados de transporte) Responsável pela entrega dos dados à aplicação correcta do destino (Funcionamento (e endereçamento) extremo a extremo) Responsável pela segmentação (emissor) e reassemblagem (destino) das mensagens Responsável pela multiplexagem / desmultiplexagem das mensagens das diversas aplicações num fluxo de pacotes de dados (através da segmentação e endereçamento) Estabelece e termina ligações extremo a extremo Já implementados no nível 3! Detecção,recuperação de erros da camada 3 e reenvio da mensagem Controlo de fluxo ou congestionamento de tráfego por software extremo a extremo (windowing). Este controlo está associado às condições processamento dos extremos 29/58

30 Modelo OSI Funções do nível de sessão (camada 5) Funcionamento extremo a extremo 30/58

31 Modelo OSI Funções do nível de sessão (camada 5) Unidade de dados deste nível é Session PDU (unidade protocolar de dados de sessão) Estabelecimento e fecho das sessões da mesma aplicação.(fecho ordenado de ligações) Responsável pelo encaminhamento das sessões entre extremos (Dentro da mesma aplicação, poderão existir várias sessões em simultâneo. Há que distinguir qual a sessão a entregar os dados) Ex: Num sistema multitarefa Windows ou Unix, podemos ter duas janelas abertas do mesmo programa (telnet ou ftp*). Esta camada encaminha os dados para a janela correcta Re-início da sessão no ponto de quebra (caso de falha de ligação). Colocação de marcas lógicas ponto de sincronismo ao longo do diálogo entre duas sessões. (Exemplo: ftp) Geração de tráfego half duplex através do envio de um testemunho (token) a aplicações que exijam que ambos os lados não executem determinada operação em simultâneo * Telnet e Ftp não são aplicações OSI, mas ilustram bem o modo de funcionamento do encaminhamento e sincronismo de sessões 31/58

32 Modelo OSI Funções do nível de apresentação (camada 6) Funcionamento extremo a extremo 32/58

33 Modelo OSI Funções do nível de apresentação (camada 6) Unidade de dados deste nível é Presentation PDU (unidade protocolar de dados de apresentação) Preocupa-se com a sintaxe e a semântica das mensagens transmitidas Formatação de mensagens como imagem, texto, números, estruturas de dados a 2, que compostas podem usar formatos JPEG, GIF, códigos ASCII, EBCDIC, Complemento a 1 ou entre outros. São convertidos numa forma abstracta segundo codificação padrão da rede, também é transferida durante a ligação Permite a comunicação entre computadores com diferentes representações Envio de descrição de ficheiros Encriptação dos dados 33/58

34 Modelo OSI Funções do nível de aplicação (camada 7) Funcionamento extremo a extremo 34/58

35 Modelo OSI Funções do nível de aplicação (camada 7) Unidade de dados deste nível é Application PDU (unidade protocolar de dados de aplicação) Éo interface entre o utilizador e o software Compatibiliza diferentes convenções de denominação de ficheiros e diferentes formas de representação de linhas de texto (exemplo partilha e transferência de ficheiros entre sistemas UNIX e WINDOWS) Providencia serviços de terminal virtual de rede. No cliente a aplicação tem o elemento de software que realiza a correspondência entre as funções do terminal real e do virtual Cada terminal tem o seu layout de ecrã, sequências de escape, para movimentação do cursor, inserir e apagar caracteres e texto, etc. Exemplos: Aplicações de suporte a bases de dados, correio electrónico (X.400), gestão de redes (CMIP,TMIP), serviços de directórios (X.500), transferência de ficheiros (FTAM), serviços de terminal virtual (VTAM) etc. 35/58

36 Modelo OSI Terminologia OSI Terminologia da arquitectura OSI (Interfaces/serviços/PDUs) User Services (Fornecidos à camada superior) Camada N+1 Interface ou serviço camada N Camada N Utilizador asd SAP Entidade Protocolar Providenciador de serviços Utilizador Correspondente SAP Entidade protocolar correspondente Interface ou Serviço camada N-1 SAP PDUs SAP Camada N-1 Caminho lógico do PDU 36/58

37 Modelo OSI Primitivas de serviço Terminologia da arquitectura OSI (Primitivas de serviço) É através das primitivas de serviço que a camada superior inicia uma transferência de dados com a camada correspondente e similar no computador remoto. Representação espacial Origem Destino 37/58

38 Modelo OSI Terminologia da arquitectura OSI (Primitivas de serviço) Representação Temporal Serviço confirmado (espera resposta) Serviço não confirmado (envia e esquece) Dois tipos de serviço possíveis: Confirmado e não confirmado 38/58

39 Modelo OSI Formato e encapsulamento dos PDUs Formato das PDU s (protocol data units)- ENCAPSULAMENTO SDU Service data Unit. São os dados do utilizador sem nenhum cabeçalho PCI Protocol control Information É o cabeçalho adicionado à SDU por cada camada Dados do Utilizador User Data SDU=PDU Camada 7 Primitive Type Called Address Calling Address User Data (PDU L7) L7 PCI L7 PDU SDU Camada 6 Primitive Type Called Address Calling Address User Data (PDU L6) L6 PCI L7 SDU L6 PDU 39/58

40 Endereçamento OSI AP = PSAP+SSAP+TSAP+NSAP Modelo OSI Endereçamento OSI Apresentação Sessão Transporte Rede NSAP O endereço da Aplicação é constituído pela concatenação dos subendereços de cada camada 40/58

41 Modelo OSI Críticas ao modelo OSI Críticas modelo OSI Modelo extremamente complexo e pouco eficiente (Controlo de fluxo, endereçamento e controlo de erros reaparecem em várias camadas) As camadas de baixo (rede e ligação de dados) têm funcionalidades a mais e repetitivas. As camadas de cima (sessão e apresentação) são vazias em termos de funcionalidade e ignoradas em algumas implementações Surgiu tardiamente (1984) e já existiam outros modelos no mercado onde tinha havido grande investimento por parte das empresas (ex: TCP/IP) Implementações inicias lentas e pesadas, aparecendo associado a baixa qualidade. O TCP/IP já fazia parte do Sistema Operativo UNIX muito utilizado em ambientes académicos Lento a desenvolver. Congela o desenvolvimento da tecnologia 41/58

42 Modelo OSI Vantagens do modelo OSI O modelo OSI mostrou-se útil para a discussão de redes de computadores Embora não sendo um sucesso ainda é muito usado pelos fabricantes Europeus Extremamente robusto. Adequado para ambientes onde a qualidade das linhas de transmissão seja baixa 42/58

43 Modelo OSI Normas associadas ao modelo OSI Normas associadas ao modelo de referência OSI ISO Normas para redes privadas ITU-T Normas para operadores de serviço público Séries T (PSTN) Séries X (PSDN) Séries I (RDIS) 43/58

44 1.3 O Modelo TCP/IP 1.3 Modelo TCP/IP 44/58

45 Modelo TCP/IP Nota Histórica Introdução Surge nos anos 60 Motivados pela guerra fria, EUA criam ARPA (Advanced Research Projects Agency) ARPA cria a rede ARPANET Protocolos da ARPANET inadequados para interligação de várias redes Década de 70 - DARPA inicia pesquisa de uma tecnologia para a internet Entre 77 e 79, desta pesquisa resultou um conjunto de protocolos conhecidos como modelo TCP/IP Modelo TCP/IP Desenhado para permitir interligação de redes físicas distintas Integrado no sistema operativo UNIX (BSD) interface sockets Desenvolvimento de grande número de aplicações e utilitários 45/58

46 Modelo TCP/IP Nota Histórica Muitas instituições usa a tecnologia TCP/IP para interligarem as suas redes com a rede DARPA DOD (department of defense) NSF (National Science foundation) NASA... Daqui resultou uma entidade chamada connected internet ou internet O sucesso desta cooperação demonstrou a viabilidade do TCP/IP sobre um conjunto heterogéneo de redes Teve uma adopção quase universal, que levou a uma gigantesca dimensão da internet nos dias de hoje 46/58

47 Modelo TCP/IP Arquitectura Arquitectura Modelo TCP/IP O modelo TCP/IP é constituído apenas por 4 camadas Apenas 3 das camadas (2 a 4 equivalente L3 a L7 OSI) definem protocolos Os protocolos da primeira camada (Interface de rede + física ) não são definidos, recorrendo a outros já existentes (X.25, PPP, Ethernet, F.Relay, etc.) Analogia com o OSI L5-L7 L4 L3 L1-L2 Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Ligação de dados Físico 47/58

48 Modelo TCP/IP Funções de cada camada Camada de aplicação Constituída pelas aplicações e programas utilitários que recorrem a serviços da camada de transporte Exemplos de aplicações mais frequentes FTP File transfer protocol para transferência de ficheiros entre computadores SMTP Simple Mail Transfer Protocol.Para troca de correio electrónico SNMP Simple Network Management Protocol.Para gestão da rede TELNET Para login (acesso) remoto a computadores DNS Domain Name Service. Permite acesso a equipamentos através do nome, em vez do endereço (Resolução de nomes) 48/58

49 Modelo TCP/IP Comparação modelos OSI TCP/IP Comparação TCP/IP e Modelo OSI 49/58

50 Modelo TCP/IP Comparação TCP/IP e Modelo OSI Pode utilizar protocolos OSI Interliga LAN s e WAN s 50/58

51 Modelo TCP/IP Funções de cada camada modelo TCP/IP Funções da camada de aplicação São programas que fornecem serviços (Ex: FTP, TELNET, SMTP) Escolhem o tipo de transporte necessário Funções da camada de transporte Fornece a forma de comunicação entre duas aplicações extremo a extremo Responsável por controlo de fluxo Responsável por controlo de erros Responsável pela segmentação e reagrupamento de mensagens Funções da camada de internet Fornece a forma de comunicação entre duas máquinas Responsável pelo encaminhamento dos pacotes na rede Verifica a validade dos datagramas IP recebidos Envia e recebe mensagens de controlo e informação de erros (ICMP) Funções da camada de interface de rede Transmite datagramas IP e envia-os para uma rede específica Recebe datagramas IP de uma rede específica 51/58

52 Modelo TCP/IP Requisitos de endereçamento no TCP/IP Endereçamento TCP/IP Endereçamento no nível de rede - identifica o computador na Internet Endereço IP Equivalente Endereço NSAP no OSI (network service access point) Endereço ao nível da aplicação Identifica a aplicação no computador Port number (TCP/IP) Equivalente ao SAP no OSI (Service access point ou SAP) 52/58

53 Modelo TCP/IP Endereçamento no modelo TCP/IP 53/58

54 Modelo TCP/IP Críticas modelo TCP/IP Críticas modelo TCP/IP Não há distinção entre serviço, protocolo e interface Não é um modelo geral A 1ª camada (Network) não é verdadeiramente uma camada Não especifica as camadas física e de ligação de dados 54/58

55 Modelo TCP/IP Resumo 1 Arquitectura de redes: Modelos de referência OSI e TCP/IP 1.1 Conceitos e introdução Protocolos de comunicação Arquitecturas dos protocolos de comunicação Endereçamento Hierarquias protolares PDU e SDU Operação do modelo por camadas 1.2 O modelo OSI da ISO Introdução e organização do modelo Funcionamento do modelo Funções de cada camada Terminologia OSI Interfaces, Serviços e PDUs Primitivas de serviço Encapsulamento Endereçamento no modelo OSI Críticas ao modelo OSI Normas industriais associadas ao modelo OSI 1.3 O modelo TCP/IP Introdução Arquitectura Comparação modelo OSI versus TCP/IP Funções de cada camada Endereçamento TCP/IP Críticas modelo TCP/IP 55/58

56 Modelo OSI Referências H. Zimmermann. OSI Reference Model The ISSO Model of architecture for Open Systems Interconnection IEEE Transactions on Communications COM-28, No. 4: April 1980 Stallings Data and Computer Communications 5th Edition (Cap. II) Halsall Data Communications, Computer Networks and Open Systems 4th Edition (Cap. I e XI) Luis Soares Redes de computadores. Das LAN, MAN e WAN às redes ATM (Cap V) Tanembaum Computer Networks 4rd Edition (Cap. I ) Leon Garcia Communication Networks, 2nd Edition Cap. I 56/58

57 FIM 57/58