MATERIAL DE APOIO Curso: Gestão da Tecnologia da Informação Disciplina: Redes de Computadores e Internet Carga horária: 80 h/a. Período: 2º semestre Turno: Noturno Ano letivo: 2012/2 Professor: Waldemiro Szenezuk Pinto de Arruda Protocolos A comunicação entre processos ou setores de uma empresa requer um padrão, para que funcionários não possam dizer que ouviram errado, não sabiam, etc. Para isso, papéis assinados eram utilizados, e ainda são apesar dos e-mails, para definir que um determinado setor recebeu a informação. E esses papéis seguiam normas de se passar a mensagem desejada. Da mesma feita, os protocolos de rede nada mais são que padrões de comunicação entre dois terminais. Alguns protocolos são utilizados em uma troca de dados, sendo selecionados conforme a necessidade. Para acessar uma página da internet, por exemplo, são utilizados protocolos de alto nível e de baixo nível, que respectivamente cuidam da apresentação das informações e da forma como os dados solicitados caminharão até o usuário. A divisão de uma pilha de protocolos em camadas gerou modelos de referência, estudados a seguir. Modelos de referência Um conjunto de protocolos alocados em forma de pilha, separados conforme a sua funcionalidade técnica. É assim que podemos chamar, sem utilizar conceitos de autores famosos, os modelos de referência que serão estudados na sequência. A partir do modelo de referência, arquiteturas de rede são planejadas e construídas, pensando sempre na comunicação entre as funções de cada nível de pilha. Desenvolvedores constroem aplicações ou equipamentos que atendam a demanda de cada camada, respeitando as normas e especificações dos protocolos a que vier utilizar. De fato, algumas arquiteturas não utilizam todas as camadas de referência, mas colocam em prática as recomendações das que foram contempladas. Cada nível da pilha usada representa um conjunto de ações necessárias para a transmissão de dados. Cada
camada é responsável por preparar os dados para a próxima, adicionando informações de controle ou mudando a forma ou tamanho dos dados. Modelo OSI Trata-se de um modelo didático para facilitar a compreensão de como os dados são enviados e recebidos, com os passos necessários. Ações intermediárias são executadas para que determinada mensagem consiga chegar corretamente ao destino. Essas ações não são vistas pela maioria dos usuários, mas acontecem a cada transmissão. O modelo é didático, pois não é seguido a risca, nem implementações baseadas puramente nele. Possui camadas que, eventualmente, podem não ser utilizadas. Contudo, a forma de tratamento das informações que serão enviadas segue a ordem sugerida. Para projetistas e fabricantes, a utilização do modelo é importante para separação e redução de complexidades e áreas de atuação. Diferenciar um equipamento da camada 2,3 ou 7 é mais fácil do que fazê-lo por meio de siglas e padrões pouco conhecidos da maioria dos usuários. O modelo OSI é dividido em sete camadas. Cada camada com, ao menos, uma função e responsabilidade diferente. Cada camada funciona com um processador separado. Recebe dados da camada inferior ou superior (dependendo do lado da comunicação) e passa o resultado do seu processamento para a próxima camada. Outro ponto importante é que uma camada na origem faz o mesmo que a mesma camada no destino, só que de forma invertida; ou seja, na origem uma camada adiciona informações que serão lidas e depois retiradas da mensagem pela mesma camada do destino. Entre as camadas iguais a conversação é feita através de protocolos.
A cada transição, de uma camada para outra, é colocada (na origem) e retirada (no destino) dados de sua responsabilidade, antes do pacote montado. Cada camada então adiciona dados ao cabeçalho. O bloco inserido é chamado de PDU (Protocol Data Unit) e contêm informações de controle, necessários para que no destino, ocorra a leitura e tratamento. As três camadas superiores formam o conjunto de aplicação, enquanto as quatro inferiores formam o conjunto de transporte. O conjunto de aplicação trata de formatar os dados para o conjunto transporte que, por sua vez, é responsável por levar os dados empacotados da origem para o destino.
Para o estudo proposto, iniciaremos pelas camadas superiores. Assim, a primeira camada estudada é a de aplicação: Camada de aplicação Agrega um conjunto de protocolos de aplicação, para uso pelos aplicativos dos usuários. Várias aplicações diferentes para transferência de dados, mas todas utilizam os mesmos protocolos, dependendo da finalidade. Um gerenciador de e-mails qualquer utiliza sempre dois protocolos principais: SMTP para envio e POP3 para o recebimento de e-mails. Servidores e clientes de troca de arquivos sempre utilizam um protocolo de aplicação padrões, como exemplo o FTP.
Na origem, é escolhido o protocolo de aplicação, adicionadas informações de controle relativas a esse protocolo, para que no destino a aplicação correta seja aberta e os dados sejam mostrados ao usuário. Sem as informações, a camada de aplicação não saberia que protocolo e aplicação acionar. Camada de apresentação Várias aplicações utilizam os mesmos protocolos e utilizam os mesmos formatos padrões. Inserir o padrão utilizado na PDU é responsabilidade dessa camada. Computadores e redes de diferentes arquiteturas, com representações diversas devem conseguir entender os dados recebidos, seja de qual fonte for. Como no exemplo de e- mail, o padrão MIME pode ser utilizado, seja qual for o programa, computador utilizado e todos devem ler o que está inserido na mensagem. Dependendo do protocolo de aplicação escolhido pela camada superior, um protocolo de apresentação é escolhido. Camada de Sessão Se uma transmissão existe, uma conexão foi estabelecida. Gerenciar a conexão, do início ao fim é tarefa da camada de sessão. Dependendo do tipo de transmissão, orientada a conexão ou não, a camada inicia, cuida do sincronismo e finaliza conexões. Quando a conexão já foi estabelecida, além do sincronismo, deve controlar quem deve transmitir e quando, o que é chamado controle de fluxo. Chamamos o processo de iniciar, controlar e finalizar uma conexão de estabelecimento de sessão, que deve ser feito entre origem e destino, seja qual for a arquitetura ou modelos dos equipamentos envolvidos. Camada de Transporte Transportar uma grande colheita de grãos é uma tarefa dispendiosa, acomodando em caminhões, contêineres ou vagões. Assim, o grande volume é dividido em unidades de transporte, com tamanho fixo ou variado. As várias unidades são transportadas em uma relativa ordem. Dependendo do meio de transporte as unidades podem chegar na mesma ordem ou em ordem diversa. Contudo, no destino, a carga total deve ser refeita, e, em alguns casos, a ordem do envio também deve ser restaurada. No transporte de informações, pequenas alterações na ordem podem significar mudança de sentido, contexto; ou em outras palavras, o propósito do envio da informação não ser alcançado. Mas o processo de divisão da carga total em unidades menores
ocorre da mesma forma. Assim, quando necessário, garantir os mesmos dados do emissor no receptor, na ordem correta é a principal tarefa desta camada. Em outras palavras, cuida da entrega de dados fim a fim. Se uma unidade de transporte não chegou ao destino ou chegou danificada, é esta subdivisão do modelo que cuida para que ocorra a recuperação ou retransmissão. Assim, é responsável pela transmissão eficiente, com menor custo e maior confiabilidade possível, utilizando mecanismos de controle de fluxo e correção de erros pertinentes. Camada de Rede A interligação de redes é feita através de gateways, que fazem a escolha de caminhos possíveis para se chegar a um destino. Do mesmo modo, um motorista pode escolher diversos caminhos para percorrer seu caminho, cuja escolha pode depender de congestionamentos do caminho mais curto, custo com pedágios, perigo, etc. Os gateways determinam qual rota tomar a partir de informações diversas (caminho pré-definido, congestionamento, tamanho da banda livre, menor número de passos). É tarefa da camada de rede a escolha da melhor rota para que os dados sigam com maior velocidade, menor custo e impacto. Para isso são utilizados protocolos e algoritmos específicos que buscam facilitar a troca de dados, permitindo interligações de inúmeras redes, em substituição a configurações estáticas e de controle manual. O roteamento, portanto pode ser feito de três formas: estático, quando os caminhos são prédeterminados, por sessão, em acessos remotos via Terminal Services (um exemplo) o caminho é determinado na requisição e se mantém até a desconexão, e dinâmico, quando os caminhos não são fixos e determinados por algoritmos diversos, podendo se utilizar várias rotas diferentes em uma mesma transmissão. Nesta estão concentrados os maiores esforços e estudos, quando o assunto é rede WAN, com famosos algoritmos de roteamento, que também serão detalhados na sequência desta disciplina. Aqui é notória a utilização de um equipamento, o roteador, que é configurado para determinar as formas de enviar dados para outros pontos distantes, ocupando o papel de gateway. Switches níveis 3 ou superiores podem ser utilizados para a mesma tarefa, diferenciando em termos de interface, capacidade e velocidade. O endereçamento IP é utilizado nesta camada, para determinar redes e rotas a percorrer, afim de que pacotes, montados aqui, cheguem ao destinatário. Camada de Enlace É a camada mais conhecida por técnicos de informática não especializados em redes. Para a maioria, montar uma rede limita-se a conectar computadores a um
equipamento, via cabo ou sem. O que o técnico assume como todo o possível em uma rede é, na verdade, apenas duas camadas, das sete existentes. O principal equipamento utilizado nesta é o switch, que possui portas para interligação dos cabos de rede e fibras ópticas, fazendo uma entrega baseada em endereços físicos, da placa de rede. As tarefas mais importantes da camada, contudo, são: Transformar os pacotes recebidos da camada de rede em quadros, para que possam trafegar pelos meios de transmissão, e possam ser remontados no destino. Transformar os endereços ips, recebidos da camada de rede em endereços físicos (MAC-Address) para que os dados cheguem ao terminal correto, que contém o endereço da placa de rede assinalada na PDU do quadro. Mecanismos de menor complexidade para tratamento de erros são utilizados, em conjunto com diversas outras técnicas implementadas no mesmo equipamento. Antes do advento do switch, um equipamento reinava nesta camada. O hub era o equipamento mais utilizado e responsável por dividir um acesso para vários terminais, criando grandes domínios de broadcast e colisão, o que também será estudado em detalhes na sequência. Camada física A camada física cuida especificamente da transmissão de bits, e da forma como isso ocorre. Cabeamento estruturado, fusão de fibra, instalação e alinhamento de antenas são específicas dessa camada. As condições de sinais elétricos ou ópticos, como frequência, intensidade, voltagem, impedância e outras, são preocupações pertinentes a essa camada, comumente chamado de infraestrutura de rede. Neste momento, vimos superficialmente cada camada do modelo OSI, sendo que o entendimento até o momento é essencial para a compreensão de funções e aplicação de diversos equipamentos, protocolos e muitos outros componentes de rede. Maiores detalhes sobre as responsabilidades de cada camada serão vistos quando o estudo se aprofundar e englobar diversos outros termos e práticas. Modelo TCP/IP Modelo de referência utilizado pela internet. Possui semelhanças facilmente visualizadas ao OSI, mas as diferenças são substanciais. Na figura a seguir, podemos perceber que as três primeiras camadas do OSI são concentradas em apenas uma do
TCP/IP. Do mesmo modo, as duas primeiras na pilha do OSI representam a Interface com a Rede do TCP/IP. Aqui temos quatro camadas, ao invés de sete da referência anterior, mas que, de nenhuma forma, traz prejuízos. Pelo contrário, com o passar do tempo, a pouca utilização das camadas de apresentação e sessão levou a conclusão da não utilização no TCP/IP. Assim, o objetivo que é facilitar o entendimento ficou melhor atingido com a utilização apenas de uma camada superior, a camada de aplicação Camada de aplicação Representa, conforme já dito, as três camadas superiores do OSI e, por consequência, contém todos os protocolos de alto nível e mais conhecidos de técnicos e usuários da internet. Em outra oportunidade, estudaremos o que são, de fato, protocolos e o propósito dos mais conhecidos e utilizados. A responsabilidade desse nível da pilha do TCP/IP é a definição dos protocolos que serão utilizados pelos aplicativos e como estes farão a comunicação com a camada de transporte. Os principais protocolos utilizados nessa camada, para o estudo de internet, são: HTTP, HTTPS, DNS, SMTP, POP3, Telnet, FTP, TFTP, SNMP. Camada de transporte Opera de forma muito semelhante a mesma camada do OSI. Possui a finalidade de manter a troca de dados, com confiança, rapidez e menor custo. Dependendo do protocolo utilizado, pode, ou não, garantir a entrega de dados, com integridade e na
ordem necessária para a não alteração, com ajustes de velocidade de transmissão para não sobrecarregar o receptor, etc. Esses detalhes serão melhor estudados quando virmos protocolos, mais especificamente, TCP, UDP e RTP. São estes, os protocolos implementados nessa camada. Camada Internet ou Inter-redes Essa camada opera de forma semelhante ao 3 do modelo OSI. Cuida do roteamento de datagramas (pacotes) IP. Gerenciar o endereçamento e roteamento entre origem e destino são as atribuições dessa camada. Para isso, alguns protocolos são conhecidos e bastante utilizados por gerenciadores de rede. Essa é a camada que contempla os roteadores ou gateways da internet. Não se preocupa com a entrega de dados ao computador (host), mas, sim com o encaminhamento entre as redes, com congestionamentos, melhores e mais velozes caminhos e todas as complexidades que veremos até o final da disciplina. Os principais protocolos utilizados aqui são: IP, ARP, RARP e ICMP. Camada Física, Interface de Rede, Host Rede São duas camadas do modelo OSI em uma do TCP/IP. Especifica fisicamente como os dados trafegarão e como a sinalização acontece. Se por fibra, par trançado, etc. Apesar de ser um modelo altamente utilizado, pela popularização da internet, a preocupação do modelo é com as camadas superiores a essa. Assim, pouca contribuição se faz nesse nível. O que ocorre na realidade é que redes locais ou privadas são contempladas basicamente pelo modelo OSI e a internet é contemplada pelo modelo TCP/IP. Ocorre, portanto uma mescla de utilizações. Protocolos mais utilizados: HTTP HTTPS DNS DHCP SMTP POP 3 TCP UDP
ARP RARP IP Outros protocolos serão estudados em outras oportunidades. Bibliografia Básica TANEMBAU, Andrews S. Redes de Computadores. Rio de Janeiro: Campus, 2003. STALLINGS, William. Redes e Sistemas de Comunicação de Dados. Rio de Janeiro: Elsevier, 2005. Bibliografia Complementar SOARES, Luis Fernando G. Redes de Computadores: Das LANs, MANs e WANs às Redes ATM. 2 ed. Rio de Janeiro: Campus, 1995. KUROSE, James F.; ROSS, Keith W. Addison Weslley. Redes de Computadores e a Internet: Uma Nova Abordagem. 5 ed. São Paulo: Pearson, 2010. PINHEIRO, José Maurício dos S. Guia Completo de Cabeamento de Redes. Rio de Janeiro: Campus, 2003. COORDENADORA DO CURSO Profª. Me. Marisa C. Jacometo Durante PROFESSOR (A) Prof. Waldemiro Szenezuk Pinto de Arruda