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Introdução ao Protocolo
TCP/IP
Gil Pinheiro
UERJ-FEN-DETEL
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Rev. 01/10/2011 GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
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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
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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
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Protocolo Inter Redes
Rede 2
Rede 3 ?
Rede 1
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Protocolo Inter Redes
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Rede 2
Rede 3
Rede 1
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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
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Tipos de Comunicação 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
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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
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Histórico do Protocolo TCP/IP
Um dos primeiros
desenhos da rede ARPA-
Net, e que posteriormente
originou a Internet
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Camadas do TCP/IP
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Enlace
Físico
Aplicação
Transporte
Inter-redes (Internet - IP)
Intra-rede (Host to Host)
ISO/OSI
TCP/IP
Suporte a diversos tipos de
rede (anel, barramentos, etc)
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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
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Estrutura de Protocolos TCP/IP
Pro
toco
los
R
ed
es
Aplicação
Transporte
Rede
Físico +
Enlace ETHERNET
TCP UDP
IP
TELNET SMTP FTP
Camada
(Modelo OSI)
HTTP
TOKEN-BUS TOKEN-RING
SNMP ......
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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
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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
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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
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Formato do Datagrama IP
IHL Version Total length
4 bytes
Type of service
Identification Fragment Offset
Time to live Header checksum Protocol
IP Source Address
Data
M
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IP Destination Address
Fixo
(20 bytes)
Options (if any) Variável
(0 a 40
bytes)
Cabeçalho
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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).
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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
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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)
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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
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Formatos de Endereço IP
Rede 0 A Host
Rede 1 0 B Host
Rede 1 1 0 C Host
Endereço para Multicast 1 1 1 0 D
Reservado para uso futuro 1 1 1 1 0 E
32 bits
Classe
1.0.0.0 a
127.255.255.255
128.0.0.0 a
191.255.255.255
192.0.0.0 a
223.255.255.255
224.0.0.0 a
239.255.255.255
240.0.0.0 a
247.255.255.255
Endereços
de host
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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
0 0 0 0 ... 0 0 Host
• Um host desta rede
1 1 1 1 ........ 1 1 Rede
• Difusão em uma rede remota
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Rede Classe A
• Primeiro byte: 0 a 127
• Máscara de rede máxima: 255.0.0.0
• Pode conter até 224 - 2 estações
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Rede Classe A
Host 10.25.11.1 Host 10.25.11.4
Host 10.25.11.3
Host 10.25.11.2
Rede 10
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Rede Classe B
• Primeiro byte: 128 a 191
• Máscara de rede máxima: 255.255.0.0
• Pode conter até 216 - 2 estações
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Rede Classe B
Host 140.20.10.3 Host 140.20.15.10
Host 140.20.32.3
Host 140.20.1.2
Rede 140.20
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Rede Classe C
• Primeiro byte: 192 a 223
• Máscara de rede máxima: 255.255.255.0
• Pode conter até 28 - 2 estações
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Rede Classe C
220.10.4.11/24 220.10.5.4/24
220.10.4.13/24
220.10.5.21/24
Rede 220.10.4
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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
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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
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Encapsulamento do Datagrama UDP
UDP Header IP Header UDP Data
20 bytes 8 bytes
Datagrama UDP
Datagrama IP
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Formato do Datagrama UDP
UDP Source Port
4 bytes
UDP Message Length
Data
Fixo
(8 bytes)
Cabeçalho
UDP Destination Port
UDP Checksum
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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
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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
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Encapsulamento do Segmento TCP
TCP Header IP Header TCP Data
20 bytes 20 bytes
Segmento TCP
Datagrama IP
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Formato do Segmento TCP
TCP Source Port
4 bytes
Sequence Number
HLEN
Acknowledgement Number
RESERVED WINDOW
Data (if any)
CHECKSUM
Fixo
(20 bytes)
Options (if any)
Cabeçalho
TCP Destination Port
Code Bits
URGENT POINTER
PADDING Variável
(0 a 40
bytes)
Code Bits: URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN
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Equipamentos de Interconexão
• Repetidor (Hub) Camada 1
• Ponte (Bridge) Camada 2
• Comutador (Switch) Camada 2
• Roteador (Router) Camada 3
• Gateway Camada 6
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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
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Rede com Hub
Hub
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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
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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
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Redes com Comutador
Rede 1
Rede 2
Comutador
Hub
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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
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Redes com Roteadores
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Rede 2
Rede 3
Rede 1
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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
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Gateway MODBUS / TCP x RTU
Rede Ethernet
TCP/IP
Gateway
Modbus TCP
Controlador com porta serial
Modbus/RTU
Modbus/RTU
sobre RS-232
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Gateway MODBUS / TCP x RTU
MODBUS - AP
TCP
IP
MODBUS - AP
MODBUS – Camada 2
EIA-232
MODBUS/TCP MODBUS/RTU
LLC / MAC
Ethernet – Camada 1
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Gateway HART x MODBUS / TCP
Comandos HART
HART – Camada 2
HART – Camada 1
MODBUS/TCP HART
MODBUS - AP
TCP
IP
Ethernet – Camada 1
LLC / MAC
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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
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Interligação de Redes
Host 220.10.4.11 Host 130.20.5.4
Host 130.20.41.13
Host 220.10.1.21
220.10.1.1 130.20.5.10
Roteador
Host 10.3.41.4
Host 10.3.41.13
10.3.41.1
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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
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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
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ARP – Address Resolution
Protocol
• Para obter o endereço MAC de uma máquina na
sub-rede local
• Pedido de consulta enviado em broadcast na sub-
rede 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)
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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)
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Rev. 01/10/2011 GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
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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
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Comunicação
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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
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Outros Protocolos do Padrão
TCP/IP
• Telnet
• Smtp
• Ftp
• http
• IPv4
• IPv6
• ARP
• ICMP
• SNMP
