Aula 01 - Redes - Camada Transporte e Rede - Apostila

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CINCIA DA COMPUTAOCamada de Rede: Endereamento Camada de Transporte Professor: Renato Cividini Matthiesen

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1. INTRODUOAs camadas de Rede e de Transporte tm um importante papel dentro do sistema de comunicao em redes de computadores. Enquanto a camada de rede preocupa-se com o endereamento dos hosts e roteamento da rede, a camada de transporte define a comunicao entre processos finais de uma mensagem inteira. Na camada de rede, so operados protocolos responsveis pelo endereamento das mquinas (host) na rede, entre eles o protocolo IP (Internet Protocol) que define o endereo lgico do host. Na camada de transporte operam protocolos responsveis pelos mtodos de transporte das informaes entre os hosts na rede. O protocolo TCP (Transmission Control Protocol) e UDP (User Datagram Protocol) so os mais importantes.

2. DESENVOLVIMENTOCamada de Rede A camada de rede responsvel pela entrega de pacotes individuais, da sua origem at seu destino (FOROUZAN, 2008, p.547). Para possibilitar que um pacote seja encaminhado entres hosts espalhados em todo o planeta dentro do sistema de redes de computadores, necessria uma estrutura de endereamento. Esta estrutura chamada de endereamento IP, que identifica o endereo lgico de cada host em toda a rede. O endereo IP de uma mquina na internet define seu NSAP (Network Service Access Point), ou seja, o endereo do host em nvel de camada de Rede. Um endereo IP (na verso IPv4) um endereo de 32 bits e exclusivos, ou seja, cada host tem um endereo nico dentro da sua rede. Dois hosts na internet no podem ter o mesmo endereo IP e serem utilizados ao mesmo tempo. Esses endereos fazem parte do que se chama de espao de endereos. Como o IPv4 utiliza endereos de 32 bits, seu espao de endereos de 232, ou seja 4.294.967.296 (mais de 4 bilhes) de endereos. Embora esta quantidade de endereos parea ser suficiente para uso em nvel global, isto no verdade, pois os endereos so atribudos em grupos. Para que se tenha uma quantidade de endereos no repetidos na internet e suficientes, j est em uso o IPv6, outra forma de ende-

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reamento criado para suportar a quantidade de hosts na internet devido ao seu crescimento no previsto. Um endereo IPv6 possui 128 bits, ou seja 2 presenta um nmero muito grande de endereos. IPv4 Um endereo IPv4 formado por quatro octetos, ou seja, quatro conjunto de nmeros binrios com oito bits cada, separados por um ponto. A figura 1 apresenta um exemplo de endereo IPv4 binrio com sua respectiva representao em decimal.128

o que re-

Figura 1 Notao decimal pontuada e notao binria para um endereo IPv4. (FOROUZAN, 2008, p.551).

O endereamento IPv4 em seu incio utilizava o conceito de endereamento em classes. Os nmeros atribudos s mquinas na rede mundial eram divididos em 5 classes: A, B, C, D e E conforme pode ser visto na figura 2 a seguir.

Figura 2 Encontrando as classes nas notaes binrias e decimal pontuada. (FOROUZAN, 2008, p.552)

Um problema nesta estrutura que os endereos so divididos em nmeros fixos de classes, limitando o nmero de hosts na rede conforme a classe que perten-

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cem (figura 3). Outro problema que parte destes endereos desperdiada devido forma como distribudo para as mquinas em todo o mundo.

Figura 3 Nmero de blocos e tamanho dos blocos no endereamento IPv4 com classes. (FOROUZAN, 2008, p.553)

Os endereos de classe A eram destinados a empresas de grande porte, B para mdio porte e C para pequeno porte. Os endereos de classes D foram reservados para multicast e de classe E foram reservados para uso futuro. Um endereo IPv4 dividido em duas partes: o netid que identifica a rede em que a mquina (host) pertence e o hostid, que identifica o prprio host. Para que esta identificao de rede e host seja realizada, utilizada uma mscara de rede, informada ao sistema juntamente com o endereo IP. A figura 4 apresenta as mscaras de rede padro para as classes A, B e C. Esta mscara pode ser informada em formato decimal, na qual o 255 define qual octeto identifica o endereo da rede, e os zeros identificam o endereo do host. Tambm pode ser apresentada em formato CIDR (Classless InterDomain Routing), com uma barra e um nmero (exemplo: /8) representando o nmero de oito bits (da direita para a esquerda) que representa o endereo da rede. O restante identifica o endereo do host.

Figura 4 Mscaras-padro para endereamento com classes, (FOROUZAN, 2008, p.554)

O CIDR permite que um endereo IPv4 no fique restrito a uma classe. Como sua mscara identifica a quantidade de bits que representa o endereo da rede, es-

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tes nmeros podem variar independente do octeto. Por exemplo: 192.168.0.0/24 pode ser escrito como 192.168.0.0 com a mscara 255.255.255.0, pois contando os 24 bits da esquerda para direita, temos: 11111111.11111111.11111111.00000000. Neste caso os dgitos 1 (os trs primeiros octetos) representam o endereo da rede e os dgitos 0 (ltimo octeto) o endereo do host. No endereo 192.168.0.0/22 pode ser escrito como 192.168.0.0 com a mscara 255.255.252.0, pois contando os 22 bits da esquerda para direita, temos: 11111111.11111111.11111100.00000000. Assim os primeiros 22 bits representam o endereo da rede e sub-rede os ltimos 10 bits o endereo do host. Cria-se desta forma uma sub-rede com os ltimos dois bits do terceiro octeto, possibilitando uma maior quantidade de hosts na rede. Traduo de endereos internos com NAT Em uma rede interna pode-se utilizar alguns endereos IPs padro chamados de Endereos para redes privadas ou Endereos muito bem conhecidos divididos em classes A, B e C. A classe A pode variar de 10.0.0.0 10.255.255.255 (mscara 255.0.0.0) com um total de 16.777.216 endereos IPs. A classe B pode variar de 172.16.0.0 172.31.255.255 (mscara 255.255.0.0) com um total de 1.048.576 endereos IPs (com 65.536 endereos IPs por rede). A classe C pode variar de 192.168.0.0 192.168.255.255 (mscara 255.255.255.0) com um total de 65.536 endereos IPs (com 256 endereos IPs por rede). A figura 5 apresenta um resumo das classes.

Figura 5 Endereos para redes privadas (FOROUZAN, 2008, p.563)

Mas para utilizar este tipo de endereamento interno, necessrio que um servidor ligado internet tenha um endereo nico e vlido na internet e execute uma aplicao chamada de NAT (Network Address Translation). Trata-se de um mecanismo de traduo de endereos internos para o endereo do servidor ligado

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diretamente internet. Desta forma, sempre que uma mensagem de uma mquina interna (sub-rede) for encaminhada para a internet, o servidor NAT substitui seu endereo IP pelo seu prprio endereo IP (servidor) e encaminhar a mensagem adiante. Naturalmente este servidor precisa guardar (encapsular) o endereo substitudo da mquina interna para seu controle. Um esquema de funcionamento do NAT pode ser visto na figura 6.

Figura 6 Traduo de endereos (NAT), (FOROUZAN, 2008, p.564).

IPv6 Um endereo IPv6 constitudo de 16 bytes (octetos) e tem 128 bits de comprimento escrito em notao hexadecimal subdivididos em oito sees, cada uma com 2 bytes separados por dois pontos (:). Desta forma o endereo IPv6 formado por 32 dgitos hexadecimais. A figura 7 apresenta um exemplo de endereo IPv6. Este um formato de endereamento IP ainda em incio de utilizao. Este tipo de endereamento foi criado devido ao nmero de hosts atualmente ativos, pensandose no nmero de hosts futuros e tambm na natureza de algumas aplicaes executadas na internet.

Figura 7 Endereo IPv6 com notao binria e hexadecimal com dois-pontos. (FOROUZAN, 2008, p.567)

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Configurao do endereo IP O endereo IP pode ser configurado de duas formas: esttica ou dinmica. A configurao esttica realizada manualmente, ou seja, o usurio define o endereo IP a ser utilizado (graficamente ou em arquivos especficos) e o informa ao sistema operacional de seu host. A figura 8 a seguir apresenta exemplo de configurao do endereo IP de forma esttica no Microsoft Windows.

Figura 8 Configurao esttica de endereo IPv4

Para se configurar um endereo IP de forma dinmica, um servidor deve executar o DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) e os hosts da rede devem ser configurados com a opo de obter um endereo IP automaticamente. O DHCP deve ser configurado no servidor informando o espao de endereamento a ser atribudo pelo DHCP aos hosts na rede. Assim quando um host ligado na rede, o servidor DHCP atribui temporariamente um endereo IP para ele. A figura 9 apresenta um exemplo de configurao do DHCP no Microsoft Windows 200x Server.

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Figura 9 Configurao do DHCP no Windows 200x Server

Camada de Transporte A camada de Transporte responsvel pela entrega de uma mensagem entre processos finais de uma mensagem inteira (FOROUZAN, 2008, p.701). Nesta camada, uma mensagem normalmente dividida em segmentos de dados. Um protocolo deve fazer o encaminhamento e controlar sua entrega. O protocolo TCP (Transmission Control Protocol) um protocolo orientado conexo, e para garantir a entrega cria um relacionamento entre os segmentos enviados e/ou recebidos por meio de uma sequencia. O protocolo UDP (User Datagram Protocol) um protocolo no orientado a conexo e trata cada segmento de forma independente. A camada de Transporte responsvel pela comunicao entre processos. E para que esta comunicao seja realizada, necessrio tambm de um endereo, que aqui se chama de TSAP (Transport Service Access Point) associado a um nmero de porta. Na internet, os nmeros de portas de 65.536, variam de 0 65.535, e cada porta pode ser associada a uma aplicao. Parte desses nmeros de portas reservada e outra parte livre para utilizao por programadores. A IANA (Internet Assigned Number Authority) dividiu o nmero de portas em trs faixas: 1. Portas Conhecidas portas entre 0 e 1.023 so atribudas e controladas pela IANA e reservadas; 2. Portas Registradas portas entre 1.024 e 49.151 no so atribudas ou controladas pela IANA, mas podem ser registradas para impedir duplicaes e, 3. Portas Dinmicas portas na faixa de 49.152 e 65.535 livres para utilizao de aplicaes. As Portas Registradas e Dinmicas podem ser

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utilizadas em aplicaes desenvolvidas ou configuradas em um host. As Portas Conhecidas so reservadas e no podem ser atribudas em aplicaes pelos usurios. Para se estabelecer uma conexo virtual e consequentemente uma comunicao entre processos finais, necessrio dois identificadores: o endereo IP e o nmero da porta. Esta combinao chamada de Socket. importante perceber que uma mquina tem um endereo nico em nvel de rede (o endereo IP). E uma aplicao tambm (o nmero da porta), o que permite que um nico host possa executar diversas aplicaes diferentes. Um socket, por sua vez, faz com que seja possvel que uma nica porta seja utilizada por diversas instancias de uma aplicao. Assim torna-se possvel, por exemplo, abrir diversas sesses de um browser (que normalmente utiliza a porta 80) em um nico host. UDP O UDP (User Datagram Protocol) um protocolo de Transporte sem conexo e no-confivel, ou seja, no garante a entrega das informaes. Isto significa que ele no possui controle sobre o servio de entrega do IP. Trata-se de um protocolo simples, portanto mais rpido e utilizado para envio de mensagens de controle e tambm transmisso de streaming (udio e vdeo) onde mais importante a velocidade de transmisso que a confiabilidade na entrega. Sobre este protocolo so executadas aplicaes que se utilizam dos protocolos de camada de Aplicao como exemplo: DHCP, SNMP, NTP e NSF. A tabela 1 mostra algumas portas utilizadas pelo protocolo UDP.

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Tabela 1 Portas conhecidas no UDP (FOROUZAN, 2008, pp.709-710)

TCP O TCP (Transmission Control Protocol) um protocolo orientado conexo, ou seja, ele estabelece uma conexo virtual (atravs de uma tcnica denominada three-way-handshaking) entre dois processos TCPs para a transmisso e implanta mecanismos de controle de fluxo e de controle de erros. Trata-se, portanto de um protocolo mais complexo, mais lento, mas que garante a entrega das informaes. Por isso o TCP utilizado por aplicaes (outros protocolos da camada de Aplicao) que transmitem dados como, por exemplo: HTTP, FTP, SMTP, TELNET. A tabela 2 mostra um conjunto de portas utilizadas pelo protocolo TCP.

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Tabela 2 Portas conhecidas no TCP (FOROUZAN, 2008, p.716)

SCTP Segundo FOROUZAN (2008, p. 736) o SCTP (Stream Control Transmission Protocol) um protocolo confivel orientado a mensagens que combina as melhores caractersticas do UDP e do TCP. Ele utiliza as portas conhecidas do espao de endereos do TCP. O SCTP programa servios de transporte com mltiplos fluxos de dados em cada conexo. Caso algum fluxo seja bloqueado, os demais podem ser entregue. Trata-se de um protocolo mais recente, e uma alternativa para a transferncia de dados na camada de Transporte.

3. CONSIDERAES FINAISNesta aula foi possvel verificar algumas das funes e protocolos das camadas de Rede e de Transporte. A camada de Rede tem como funes principais o roteamento e o endereamento de hosts na rede. Em relao ao endereamento, alguns protocolos so executados no sistema de redes para identificar o endereamento dos hosts, e um em especial, o protocolo IP, responsvel pelo esquema de endereamento dos hosts, chamado de endereamento IP. Neste esquema de endereamento, o IPv4 tem um formato de quatro octetos de oito bits cada, por exem-

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plo, 192.168.5.45 e sempre acompanhado por uma mscara de rede, neste caso, 255.255.255.0. A mscara indica a parte do endereo IP que identifica a rede (255.255.255) chamada de netid e a parte que representa o host (0) chamado de hostid. A camada de Transporte tem como objetivo a entrega de uma mensagem at o destino final (representado pela conexo de socket formada pelo endereo IP + nmero da porta). Nesta camada os principais protocolos so o UDP (User Datagram Protocol) e o TCP (Transmission Control Protocol). O UDP um protocolo mais simples e rpido, sendo assim no garante a entrega das mensagens, deixando esta tarefa para as camadas superiores, e utilizado para transmisso de dados de controle e streaming. J o TCP um protocolo orientado a conexo, que garante a entrega da mensagem, realiza controle de fluxo e de erros. Por isso o TCP utilizado para a transmisso de dados, onde nenhum bit na comunicao pode ser perdido.

4. BIBLIOGRAFIA UTILIZADAFOROUZAN, B. Comunicao de Dados e Redes de Computadores, 4 edio: So Paulo, McGrawHill, 2008. KUROSE, J & ROSS, K. Rede de Computadores e a Internet Uma Abordagem Top-down. 3 ed. So Paulo, Pearson/Addison Wesley, 2005. STALLINGS, WILLIAM. Rede e Sistemas de Comunicao de Dados, Rio de Janeiro: Campus, 2005. TANENBAUM, A. S. Rede de Computadores, 4 edio. Rio de Janeiro, ed. Campus, 2007.