Introdução ao Protocolo TCP/IP Gil Pinheiro UERJ-FEN-DETEL
Introdução ao Protocolo TCP/IP Protocolo Inter Redes Histórico Estrutura do Protocolo TCP/IP Equipamentos de Interconexão Endereçamento na Rede TCP/IP Serviços da Rede TCP/IP 2
Protocolo Inter Redes Contexto: Várias redes locais distribuídas geograficamente e isoladas entre si Problema: Interligar e integrar as redes locais Cada rede local deve suportar diversos protocolos Exemplos: vários departamentos e unidades de uma empresa, vários campi de uma universidade, vários servidores da Internet 3
Protocolo Inter Redes? Rede 3 Rede 1 Rede 2 4
Protocolo Inter Redes R R Rede 3 Rede 1 R Rede 2 5
Protocolo Inter Redes Cada usuário enxerga as redes interligadas como uma única rede Os elementos de ligação entre as redes chamam-se roteadores Cada roteador deve conhecer a estrutura das redes interligadas Cada estação é um nó independente da rede 6
Tipos de entre Estações Unicast transmissão direta entre duas estações Multicast - transmissão para um grupo restrito de estações Broadcast - transmissão para todas as estações de uma rede 7
Histórico do Protocolo TCP/IP Surgiu com a rede ARPA-NET Objetivo estratégico militar (desenvolver uma rede de alta confiabilidade, que pudesse operar mesmo num contexto catastrófico) O TCP/IP começou a partir do protocolo IP ao qual foram sendo agregados outros protocolos (UDP, TCP FTP, TELNET, SMTP,...) e serviços 8
Histórico do Protocolo TCP/IP Um dos primeiros desenhos da rede ARPA- Net, e que posteriormente originou a Internet 9
Camadas do TCP/IP ISO/OSI Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Aplicação Transporte Inter-redes (Internet - IP) Intra-rede (Host to Host) TCP/IP Suporte a diversos tipos de rede (anel, barramentos, etc) 10
O TCP/IP pode ser usado com diversos tipos de redes Camadas Física / Enlace IEEE 802.3 (Ethernet 10 Mbps) IEEE 802.3u (Fast Ethernet 100 Mbps) IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet 1 Gbps) IEEE 802.4 (Token Bus) IEEE 802.5 (Token Ring) Serial (EIA-232 / 485): usando os protocolos SLIP, CSLIP e PPP 11
Redes Protocolos Estrutura de Protocolos TCP/IP Camada (Modelo OSI) TELNET FTP SMTP HTTP SNMP... Aplicação TCP UDP Transporte IP Rede ETHERNET TOKEN-BUS TOKEN-RING Físico + Enlace 12
Alguns protocolos TCP/IP IP = Internet Protocol UDP = User Datagram Protocol TCP = Transport Control Protocol FTP = File Transfer Protocol HTTP = Hypertext Transport Protocol SNMP = Simple Network Management Protocol SMTP = Simple Mail Transfer Protocol TELNET = emulação de terminal 13
Estruturas de Informação Camada 1 Seqüência de bits / sinal Camada 2 Quadro Camada 3 (Protocolo IP ) Datagrama IP Camada 4 Protocolo UDP Datagrama UDP Protocolo TCP Segmento TCP 14
Protocolo IP É o protocolo básico de toda a estrutura do TCP/IP (é utilizado pelos outros protocolos do TCP/IP) Fornece um envio não confiável de mensagens (usando datagramas IP) entre estações da rede A confiabilidade, se necessária, deverá ser provida pelas camadas superiores da rede. Ex.: TCP 15
Formato do Datagrama IP 4 bytes Cabeçalho Version IHL Type of service Total length Identification D F M F Fragment Offset Time to live Protocol Header checksum Fixo (20 bytes) IP Source Address IP Destination Address Options (if any) Data Variável (0 a 40 bytes) 16
Formato do Datagrama IP Version - versão do datagrama IHL - tamanho do cabeçalho em palavras de 32 bits (de 20 a 60 bytes) Type of service - host informa a sub-rede o tipo de serviço, existem combinações de maior velocidade ou confiabilidade. Permite o roteador selecionar entre uma conexão com alta velocidade mas com alto retardo (satélite) ou uma linha privativa (baixa velocidade e baixo retardo) Ex.: FTP - confiabilidade, Voz - rapidez Total length - incluindo cabeçalho e dados Identification - permite identificar datagrama fragmentado. Todos os fragmentos de um mesmo datagrama possuem mesma identificação DF (Bit) - Don t Fragment, informa aos rotadores não fragmentar. CPU destino não possui capacidade de desfragmentar. Útil para pacotes de boot remoto (carga da memória de uma estação e rede). 17
Formato do Datagrama IP MF (Bit) - More Fragments, todos os fragmentos de um datagrama exceto o último tem esse bit igual a 1, permite saber se todos os fragmentos chegaram. Fragment Offset - número de sequência de um datagrama. Permite saber a ordem dos fragmentos de um datagrama para a remontagem. Time to live - contador usado para limitar tempo de vida de um datagrama. Permite vida máxima de 255 segundos ou 255 hops, evita que datagramas fiquem vagando em caso de falha nas tabelas de roteamento. Protocol - permite identificar o protocolo utilizado, ex.: TCP, UDP Header checksum seqüência de verificação do cabeçalho apenas, para detectar erros. É calculado a cada hop, pois o Time to live se altera neste caso. Source address endereço de rede e do host de origem Destination address - endereço de rede e do host de destino Options - campo preenchido com informações experimentais 18
Endereço IP Composto de: endereço de rede + endereço do host Cada nó da rede (host ou roteador) possui um endereço IP Hosts da mesma rede possuem mesmo endereço de rede Tamanho de 32 bits (4 bytes) IP v.4 Representação Dotted decimal notation - Ex.: 164.85.238.26 (A455EE1A hexadecimal) Os endereços IP são controlados mundialmente pelo NIC (Network Information Center) 19
Classes de Endereço IP Os endereços IP são de 5 classes Classes A, B e C - permitem respectivamente até 126 redes com 16 milhões de hosts, até 16.382 redes com 65536 hosts, até 2 milhões de redes com 254 hosts Classe D - para multicast, endereçamento de grupos de hosts Classe E - para uso futuro 20
Formatos de Endereço IP 32 bits Classe Endereços de host A 0 Rede Host 1.0.0.0 a 127.255.255.255 B 1 0 Rede Host 128.0.0.0 a 191.255.255.255 C 1 1 0 Rede Host 192.0.0.0 a 223.255.255.255 D 1 1 1 0 Endereço para Multicast 224.0.0.0 a 239.255.255.255 E 1 1 1 1 0 Reservado para uso futuro 240.0.0.0 a 247.255.255.255 21
Endereços IP Especiais 0.0.0.0 - host local, endereço de inicialização 255.255.255.255 - difusão na rede local 127.x.x.x - loopback host local Um host desta rede 0 0 0 0... 0 0 Host Difusão em uma rede remota Rede 1 1 1 1... 1 1 22
Rede Classe A Primeiro byte: 0 a 127 Máscara de rede máxima: 255.0.0.0 Pode conter até 2 24-2 estações 23
Rede Classe A Host 10.25.11.2 Rede 10 Host 10.25.11.3 Host 10.25.11.1 Host 10.25.11.4 24
Rede Classe B Primeiro byte: 128 a 191 Máscara de rede máxima: 255.255.0.0 Pode conter até 2 16-2 estações 25
Rede Classe B Host 140.20.1.2 Rede 140.20 Host 140.20.32.3 Host 140.20.10.3 Host 140.20.15.10 26
Rede Classe C Primeiro byte: 192 a 223 Máscara de rede máxima: 255.255.255.0 Pode conter até 2 8-2 estações 27
Rede Classe C 220.10.5.21/24 Rede 220.10.4 220.10.4.13/24 220.10.4.11/24 220.10.5.4/24 28
Protocolo UDP Serviço não confiável de envio de dados Utiliza o protocolo IP (é uma extensão deste) Sem conexão Características: entrega de pacotes desordenados, não elimina pacotes repetidos, controle de fluxo e pode haver perdas de pacotes 29
Funcionamento do UDP Recebe requisição da camada superior e entrega à camada IP Cada operação de saída gera um único datagrama UDP, que será encapsulado num datagrama IP Na estação receptora, a camada UDP recebe o datagrama IP, envia os dados à camada UDP, que repassa-os à camada superior 30
Encapsulamento do Datagrama UDP Datagrama IP Datagrama UDP IP Header UDP Header 20 bytes 8 bytes UDP Data 31
Formato do Datagrama UDP 4 bytes Cabeçalho UDP Source Port UDP Message Length UDP Destination Port UDP Checksum Fixo (8 bytes) Data 32
Protocolo TCP Serviço confiável de envio de dados fim-a-fim Utiliza o protocolo IP (não confiável) Utiliza circuito virtual Informações de camadas superiores são segmentadas Características: entrega de pacotes em seqüência, elimina pacotes repetidos, controle de fluxo e controle de erros 33
Funcionamento do TCP Etapas: Estabelecimento da conexão Envio dos dados (com seqüenciamento, correção de erros, eliminação de duplicatas e controle de fluxo) Encerramento da conexão Modo Full-Duplex Método de envio do tipo de janela deslizante Usa algoritmo three-way handshake na fase de estabelecimento da conexão 34
Encapsulamento do Segmento TCP Datagrama IP Segmento TCP IP Header TCP Header 20 bytes 20 bytes TCP Data 35
Formato do Segmento TCP 4 bytes Cabeçalho TCP Source Port TCP Destination Port Sequence Number HLEN RESERVED Acknowledgement Number Code Bits WINDOW Fixo (20 bytes) CHECKSUM URGENT POINTER Options (if any) PADDING Variável (0 a 40 bytes) Data (if any) Code Bits: URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN 36
Equipamentos de Interconexão Repetidor (Hub) Camada 1 Ponte (Bridge) Camada 2 Comutador (Switch) Camada 2 Roteador (Router) Camada 3 Gateway Camada 6 37
Repetidores / Hubs Dispositivo de camada 1 Repetidor amplia o sinal, permitindo aumentar o segmento da rede Propaga todo o sinal do segmento (sinal e ruído) mesmo domínio de colisão Podem ser conversores de meio físico (fibra ótica / cabo elétrico) Hub Repetidor multiporta 38
Rede com Hub Hub 39
Ponte (Bridge) Dispositivo de camada 2 Analisa o endereço MAC do quadro Permite isolar o tráfego entre dois segmentos de rede (dois domínios de colisão) Só propaga pacotes para o segmento de rede se o endereço MAC do host pertencer ao segmento Reconhece automaticamente os endereços MAC dos hosts em cada segmento de rede Monta tabela de hosts de cada segmento 40
Comutador de Rede (Switch) Também denominado Switch Dispositivo de camada 2 É semelhante funcionalmente à Ponte, porém possui várias portas isoladas entre si Analisa os endereços MAC que chegam a uma porta Permite subdividir uma rede em diversos domínios de colisão ou isolar os hosts, um em cada porta Só propaga pacotes para uma porta se o endereço MAC do host pertencer ao segmento ou ao host ligado à porta Reconhece automaticamente os endereços MAC dos hosts em cada porta do Comutador Monta tabela com um ou mais hosts ativos em cada porta 41
Redes com Comutador Comutador Hub Rede 1 Rede 2 42
Roteador Dispositivo de camada 3 Analisa o endereço de rede do pacote Possuem uma tabela com a configuração da rede Enviam os pacotes através dos links, para outros roteadores, até que cheguem à rede destinatária Utilizam protocolos especiais para comunicar-se com outros roteadores e para descobrir a arquitetura da rede 43
Redes com Roteadores R R Rede 3 Rede 1 R Rede 2 44
Gateway Dispositivo que abrange até a camada 7 Permite integrar redes com protocolos e velocidades diferentes Exemplos: Gateway MODBUS/TCP x MODBUS/RTU Gateway HART x MODBUS/RTU Gateway HART x Fieldbus Foundation 45
Gateway MODBUS / TCP x RTU Rede Ethernet TCP/IP Modbus/RTU sobre RS-232 Gateway Modbus TCP Controlador com porta serial Modbus/RTU 46
Gateway MODBUS / TCP x RTU MODBUS - AP MODBUS - AP TCP IP LLC / MAC MODBUS Camada 2 MODBUS/TCP Ethernet Camada 1 EIA-232 MODBUS/RTU 47
Gateway HART x MODBUS / TCP MODBUS - AP Comandos HART TCP IP LLC / MAC HART Camada 2 MODBUS/TCP Ethernet Camada 1 HART Camada 1 HART 48
Roteamento de Pacotes na Rede Problema: como os pacotes alcançarão a rede destinatária? É efetuado pela camada IP do TCP/IP Consiste em verificar na tabela de roteamento, qual o caminho (rota) adequado e enviar o pacote através dessa rota Caminho adequado: Endereço da rede onde está a estação destino Endereço da estação destino O roteamento pode ser estático e dinâmico 49
Interligação de Redes Host 10.3.41.13 Host 220.10.1.21 Host 10.3.41.4 Roteador 10.3.41.1 220.10.1.1 130.20.5.10 Host 130.20.41.13 Host 220.10.4.11 Host 130.20.5.4 50
Obtendo o endereço de Enlace (MAC) Endereço MAC: formato mais comum é do IEEE 802 É necessário descobrir o endereço MAC, tipicamente para efetuar o último salto 51
Tradução de endereços IP x Endereço Físico (MAC) Protocolos utilizados ARP e RARP Dado o IP, obter o MAC: ARP = Address Resolution Protocol Dado o MAC, obter o IP: RARP = Reverse ARP Exemplo prático 52
ARP Address Resolution Protocol Para obter o endereço MAC de uma máquina na sub-rede local Pedido de consulta enviado em broadcast na subrede local (LAN) Host que detêm o endereço (ou proxy) responde com o endereço Todos os hosts podem responder a requisições ARP (inclusive impressoras de rede) 53
Endereços IP Reservados Face ao crescente uso de endereços IP v.4, a IANA (Internet Assigned Numbers Authority) definiu três categorias de endereços: Categoria 1: hosts de uma empresa que não precisam acessar hosts internos de outras empresas na Internet; hosts dentro dessa categoria podem usar endereços IP que não são ambíguos dentro da empresa, mas podem ser ambíguos entre empresas. Exemplo: 192.168.1.1 Categoria 2: hosts que precisam acessar de maneira limitada recursos externos (exemplos: E-mail, FTP, www, remote login) que podem ser viabilizados através de gateways especiais (exemplo: gateways de camada de aplicação) 54
Endereços IP Reservados Categoria 3: hosts que precisam acesso sem restrições à camada de rede fora da empresa (através de conectividade IP); hosts nessa categoria requerem endereços IP que sejam globalmente não ambíguos Hosts nas categorias 1 e 2 são denominados privativos e na categoria 3 são denominados públicos 55
Endereços IP Reservados A IANA (Internet Assigned Numbers Authority) reservou os seguintes blocos para redes Internet privativas 10.0.0.0 a 10.255.255.255 (prefixo 10/8) 172.16.0.0 a 172.31.255.255 (prefixo 172.16/12) 192.168.0.0 a 192.168.255.255 (prefixo 192.168/16) Esse endereços não são usados na Internet pública Podem ser usados outros endereços além desses em redes privativas sem consultar a IANA Os roteadores devem ser configurados (ex.: provedores de acesso à Internet) para não rotear endereços privativos para a Internet pública 56
Outros Protocolos do Padrão Telnet Smtp Ftp http IPv4 IPv6 ARP ICMP SNMP TCP/IP 57