M3 Redes de computadores avançado (36 horas - 48 TL)

M3 Redes de computadores avançado (36 horas - 48 TL) Redes de Comunicação Ano lectivo 2013/2014 Camada de rede do modelo OSI Routers e portos de interface de routers (I) 2 Nesta camada imperam os routers. Equipamento responsável pelo encaminhamento dos pacotes entre diferentes redes. Denominados equipamentos de layer 3 ou da camada 3. Semelhantes, em aspecto, a switches embora estes apenas funcionem na camada 2, layer 2. 1

Routers e portos de interface de routers (II) 3 Os routers representam os nós entre redes. São os equipamentos mais caros de uma rede, mas também os mais importantes. Em todo mundo existem milhões interligados entre si, permitindo constituir o que chamamos de internet. Sem eles não seria possível comunicar entre computadores de redes diferentes. Actualmente, estamos prestes a esgotar os endereços IP disponíveis na internet pelo uso do IP v.4. Na tentativa de contornar esse problema, criou-se o NAT Network Address Translation. IP v.4 o endereço IP versão 4 é constituído por 32 bits, isto é, por 4 octetos, cada um separado por um ponto e representado por um número decimal entre 0 e 255 (ex: 10.1.32.4). Camada de rede do modelo OSI Routers e portos de interface de routers (III) 4 Este protocolo é utilizado principalmente por routers e permite que uma rede privada tenha acesso à Internet (rede pública), isto é, no início do desenvolvimento das redes todos os PCs tinham um endereço IP fixo (pago) público. Desta forma, uma empresa com centenas ou milhares de computadores na sua rede estaria a gastar igual número de IP's públicos para aceder à Internet. Com o aparecimento do NAT foi possível que redes privadas utilizassem IP's da gama privada (ex: 10.0.0.12) e mesmo assim pudessem aceder a uma rede pública (Internet) sem a necessidade de um IP público por computador. 2

Routers e portos de interface de routers (IV) 5 Camada de rede do modelo OSI Routers e portos de interface de routers (V) 6 O PC com IP 192.168.0.3 tenta aceder a uma página de Internet (porta 80). Ao passar num router que utilize o protocolo NAT, este modifica os pacotes de dados substituindo o endereço IP privado por um válido na Internet (ex: 131.110.14.2). Desta forma, todos os computadores da rede podem utilizar apenas um endereço IP público para acederem à Internet, aumentando assim significativamente o número de IP's públicos livres na Internet. 3

Routers e portos de interface de routers (VI) 7 Mas como recebe um PC de uma rede privada a resposta de uma rede pública? No pacote de origem, enviado pelo IP 192.168.0.3, é indicado no cabeçalho que se encontra no porto 1713 (valor aleatório) e tem como destino a porta 80 do IP 216.219.59.103 ❶. O router apenas modifica o cabeçalho no que respeita à origem do pacote, por exemplo, para porto 1563, IP 131.110.14.2 (IP do router), mantendo o cabeçalho de destino ❷. Camada de rede do modelo OSI Routers e portos de interface de routers (VII) 8 Mas como recebe um PC de uma rede privada a resposta de uma rede pública? Será agora a vez da estação de destino enviar a resposta de volta para a origem, isto é, para o porto 1563, IP 131.110.14.2 ❸. Chegado o pacote de volta ao router, ele apenas confere a tabela NAT, previamente guardada em memória, para saber para que estação deve encaminhar o pacote. Assim, confere que para o porto 1563, IP 131.110.14.2, o cabeçalho deve ser modificado para o porto 1713, IP 192.168.0.3 para que chegue à estação correta ❹. 4

Comunicação entre redes (I) 9 Como é que os routers distinguem o tráfego que passa por eles? Cada router tem memória. Esta varia de tamanho de router para router, tornando-se um parâmetro importante a ter em conta quando adquirimos um. Nessa memória são armazenados endereços de forma estática ou dinâmica em forma de tabela. Em qualquer computador, através da linha de comandos, é possível ter acesso à tabela de encaminhamento do nosso PC, que são em tudo semelhantes às existentes nos routers. Digitando o comando netstat -r. Camada de rede do modelo OSI Comunicação entre redes (II) 10 O IP do gateway, que neste caso é o 192.168.1.1, indica onde se encontra o router da nossa rede, que tem como função comunicar entre redes (para comunicarmos de uma rede para outra, necessitamos de saber onde fica a ponte). Esta é a indicação que nos fornece a gateway, a saída da nossa rede. O IP 127.0.0.0 serve para a comunicação com o próprio computador (localhost). Qualquer pacote enviado para este endereço ficará no próprio computador e será tratado como se fosse um pacote recebido pela rede (loopback). O IP 0.0.0.0 serve para encaminhar pacotes para a gateway quando o IP de destino não consta na tabela de encaminhamento, isto é, quando o endereço não consegue ser resolvido dentro da própria rede. É a rota a seguir por defeito (default). O IP 224.0.0.0 é o endereço reservado para multicast e finalmente o 255.255.255.255 é o endereço reservado para broadcast. 5

Comunicação entre redes (III) 11 Quando o PC de uma rede privada tenta aceder a internet, esse pedido percorre a rede ate chegar ao router. Esse vai conferir a sua tabela e ao verificar que o pedido não pode ser satisfeito dentro da rede encaminha o pedido para o seu hierárquico superior, neste caso o servidor ISP, e assim sucessivamente ate que se encontre o destino (ou não). A solicitação do pedido fica guardada no router para que este possa receber a resposta e reencaminhá-la para a estação que o emitiu. Proposta de trabalho 1 12 1. Aceda à linha de comandos MS-DOS e digite o comando netstat r. Verifique as semelhanças entre o resultado e a tabela de encaminhamento mostrada anteriormente. Qual a sua gateway? 6

Conceitos de ARP e tabelas de ARP (I) 13 ARP (address resolution protocol) é a forma de associar um endereço físico (MAC address) a um endereço virtual (IP). Quando apenas é conhecido o endereço IP de uma estação e se pretende saber o endereço MAC da mesma é utilizado o protocolo ARP. Este, através do envio de uma mensagem em broadcast - Quem é a estação com o IP xxx.xxx.xxx.xxx? recebe a resposta da estação com o IP solicitado (em unicast) onde consta o MAC address, permitindo assim a comunicação entre as duas máquinas. Camada de rede do modelo OSI Conceitos de ARP e tabelas de ARP (II) 14 Como vimos anteriormente, as mensagens em broadcast podem baixar o rendimento de uma rede, já que causam um congestionamento ou broadcast storm. Para que as estações não necessitem de estar constantemente a enviar mensagens em broadcast, guardam em forma de tabela os IP's e respectivos MAC address acedidos, bem como as das estações que lhe acederem recentemente. As linhas da tabela serão gradualmente apagadas ao fim de dois minutos, sempre que não se verificar comunicação entre os respectivos computadores. Assim, antes de transmitir a estação verifica se o computador como que pretende comunicar já se encontra na tabela. Se assim for retira o MAC respectivo da tabela e comunica em unicast, caso contrário, envia a mensagem em broadcast (ARP Request). 7

Conceitos de ARP e tabelas de ARP (III) 15 O protocolo ARP é utilizado nestas situações: Quando duas estações estão na mesma rede e pretendem comunicar entre si (sem aceder a routers) (PC PC). Quando duas estações estão em redes diferentes e tem de aceder a um router/gateway para comunicar entre si (PC router). Quando um router tem de encaminhar um pacote de dados para um computador através de outro router (router router). Quando um router tem de encaminhar um pacote de dados para uma estação da sua rede (router PC). Proposta de trabalho 2 16 1. Aceda à linha de comandos MS-DOS e digite o comando arp a para ter acesso à tabela arp do seu computador. 8

Rotas estáticas e dinâmicas (I) 17 Os routers guardam os registos dos outros routers em forma de tabela associando-os a um caminho (rotas). Como são construídas essas tabelas? Em que se baseia o router para as determinar? Um router tem dois tipos de rotas associados a endereços: estáticas e dinâmicas. Camada de rede do modelo OSI Rotas estáticas e dinâmicas (II) 18 Rotas estáticas Inseridas manualmente (implica pessoal especializado) através de comandos de administração para gerir a tabela de encaminhamento. 9

Rotas estáticas e dinâmicas (III) 19 Rotas estáticas No caso de configurarem os routers da figura anterior com rotas estáticas, quando um computador da rede 172.16.3.0 quiser comunicar com um da rede 172.16.4.0 sabe que tem de encaminhar o pedido para a interface 172.16.1.2 para que o próximo router resolva. No entanto, se houvesse um outro caminho (melhor), que não o existente na figura, que ligasse o router 1 ao 2 ele continuaria a encaminhar os pacotes pela mesma interface visto este endereçamento ser estático. Resumidamente, este tipo de endereçamento apresenta vantagens e desvantagens. Camada de rede do modelo OSI Rotas estáticas e dinâmicas (IV) 20 Vantagens Desvantagens Maior segurança, uma vez que existe apenas um caminho de entrada/saída da rede. Processamento da informação no router mais rápido. Sem redundância ou tolerância a falhas - no caso de um link falhar, perde-se a comunicação por completo, já que o router não irá tentar descobrir um caminho alternativo. Em redes de grandes dimensões torna-se impraticável configurar todas as rotas manualmente. 10

Rotas estáticas e dinâmicas (V) 21 Rotas dinâmicas Em vez de inserção manual, a tabela de encaminhamento será preenchida dinamicamente com base em protocolos de encaminhamento. Usa-se essencialmente para redes com mudanças frequentes de topologias ou de grande dimensões. O preenchimento será então baseado em métricas que podem variar entre: Números de saltos (hops). Atrasos (delay). Custo dos caminhos (valor atribuído arbitrariamente pelo administrador da rede). Congestionamento. Fiabilidade. Camada de rede do modelo OSI Rotas estáticas e dinâmicas (VI) 22 Rotas dinâmicas Contudo, os routers não analisam todas estas métricas em simultâneo. Existem para isso algoritmos que suportam os protocolos de encaminhamento e podem usar apenas uma ou mais métricas com veremos no ponto seguinte. À semelhança das rotas estáticas existem vantagens e desvantagens na utilização das rotas dinâmicas que são apresentadas abaixo. 11

Rotas estáticas e dinâmicas (VII) 23 Vantagens Garante redundância e tolerância a falhas. Boa aplicabilidade para redes de grandes dimensões. Falta de controlo nas rotas escolhidas (tarefa do protocolo de encaminhamento). Desvantagens Processamento da informação no router mais lento devido aos cálculos impostos pelo protocolo de encaminhamento. Proposta de trabalho 3 24 1. Em que camada do modelo OSI operam os routers? 2. O que entende por NAT? 3. O que entende por ARP? 4. Qual a vantagem de existirem tabelas ARP? 5. Em que situações se utiliza o protocolo ARP? 6. De que forma pode ser feito o encaminhamento (rotas) entre routers? 7. Quais são as vantagens e desvantagens de se optar por encaminhamento estático? 8. Quais são as vantagens e desvantagens de se optar por encaminhamento dinâmica? 12

Endereçamento Endereços IP (I) 25 Serve para identificar equipamentos ligados à rede. Endereço IP é constituído por 32 bits, isto é, 4 x 8 bits separados por pontos com o formato xxx.xxx.xxx.xxx 192. 168. 120. 153 1 Byte 1 Byte 1 Byte 1 Byte 8 bits 8 bits 8 bits 8 bits 11000000. 10101000. 11110000. 10011001 1º octeto 2º octeto 3º octeto 4º octeto Os valores de x são números decimais entre 0 255 (total de 256), visto que 2 8 = 256. Endereçamento Endereços IP (II) 26 Existem apenas dois tipos de rede: a rede pública e a rede privada. A rede pública, ou Internet, conta com a maior parte dos IP's, ficando uma pequena gama de IP's disponíveis para as redes privadas. Os IP's são únicos. 13

Endereçamento Endereços IP (III) 27 Os IP's encontram-se divididos por classes. As classes D e E são classes especiais. Não podem ser utilizadas para identificar redes ou computadores. A classe D está reservada para multicast e a classe E para futuras utilizações. Endereçamento Endereços IP (IV) 28 A gama de IP's 169.254.xxx.xxx (classe B) existe para auto-configuração do link local, isto é, quando o host está configurado para receber o seu IP através de DHCP e não encontra na rede quem lhe forneça IP. Assim, por defeito, o host receberá um IP desta gama (IP atribuído quando menciona rede sem conetividade ou limitada). 14

Endereçamento Endereços IP (V) 29 Um endereço IP divide-se em duas partes: identificadora de rede (network) e identificadora de hosts (máquinas). Endereçamento Endereços IP (VI) 30 2 nº de bits. Classe A, vem: 2 24 = 16 777 216. Na tabela indica-se que o número de hosts é de 16 777 214. Porquê? Não é possível atribuir um IP onde a parte que representa os hosts seja constituído apenas por zeros ou uns. Todos os bits 0: 13.0.0.0 (identifica a rede). Todos os bits 1: 13.255.255.255 (hosts-broadcast). Número de redes da classe = 2 7 = 128. A rede 0 e 127 fazem parte da gama de IP's reservados. Usou-se 7 bits em vez de 8 porque o bit mais significativo é sempre 0. 15

Proposta de trabalho 4 31 1. Abra a linha de comandos e digite o comando ipconfig. 1. Qual a classe do seu endereço IP? 2. Trata-se de um IP privado ou público? 3. Qual a classe da máscara de rede aplicada ao seu IP? 2. Calcule o número de redes e hosts possíveis para os endereços da classe B e C. 3. Converta o seguinte IP para binário: 1. 11.5.1.111 2. 124.168.171.252 3. 192.168.10.32 Endereçamento Subnetting (I) 32 Três classes de IP's existentes demonstram-se pouco eficientes. Apenas podemos contar com redes de 254, 16 534 ou 16 777 214 hosts. Para controlarmos o número de hosts e de redes possíveis usam-se máscaras de rede. Desta forma, é possível controlar melhor os domínios de broadcast de uma rede e consequentemente, o congestionamento da mesma. As máscaras são constituídas por 32 bits e existem três tipos de máscaras: 16

Endereçamento Subnetting (II) 33 A parte da máscara que identifica a rede é representada com bits 1 e os hosts são representados pelos bits 0. Número de redes limitadas! Solução: subnetting. Endereçamento Subnetting (III) 34 Recorrendo ao subnetting: Mais bits para a rede. Menos bits para hosts. A máscara é que define a parte do IP que identifica a nova rede. Controlar o congestionamento da rede (limitar os domínios de broadcast). Um endereço de classe B apenas conta com 16 redes disponíveis. Só é verdade se utilizarmos igualmente uma máscara de classe B. 17

Endereçamento Subnetting (IV) 35 Supondo que é necessário criar 300 redes para um projeto de rede. Nenhuma classe de IP's privada permite obter um número de redes tão elevado. Com a ajuda de uma máscara de classe C e um endereço de classe B, consegue-se um valor que satisfaça esse pedido. Ganha-se o terceiro octeto para identificar a rede. Número de hosts = 254 (2 endereços reservados para o endereço de rede e de multicast) O endereço multicast é indicado pelo valor 255 (ou tudo a 1) em todos os octetos referentes aos hosts. Endereço de rede é indicado pelos valores 0 (tudo a 0). Endereçamento Subnetting (sub-redes) (I) 36 Máscara representada por 1 s identifica a rede. Máscara representada por 0 s representa os hosts. Com as máscaras clássicas apenas conseguimos uma sub-rede à qual todos os hosts pertencem. Apesar de termos conseguido com as máscaras anteriores dividir o número de redes e hosts de forma mais eficiente, ainda assim havia desperdício de IP s. Solução: Divisão da rede em sub-redes. Diminuição dos domínios de broadcast. Menor congestionamento na rede. 18

Endereçamento Subnetting (sub-redes) (I) 37 Exemplo: dispõe-se de um endereço IP de classe C 200.18.102.0. É necessário criar duas sub-redes no último octeto. Solução: A nova máscara irá atribuir, não 24 bits à rede (classe C), mas 25. Assim, a notação CIDR será /25 para este caso. Endereçamento Subnetting (sub-redes) (II) 38 Como se calcula o número de sub-redes e de hosts por sub-rede? O número de bits 1 acrescentados à classe da máscara normal representa o número de bits usados para a criação de sub-redes. Assim, no caso anterior, o número de redes será igual a 2 1 = 2. O número de hosts está associado ao número de bits 0: 2 7 2 = 128 2 = 126. Onde inicia e termina cada uma das sub-redes? Divide-se o total de combinações de um octeto (256) pelo nº de sub-rede 256/2 = 128. O resultado indica sempre o primeiro endereço da segunda subrede. 1ª sub-rede de x.x.x.0 até 127. 2ª sub-rede de x.x.x.128 até 255. 19