REDES DE COMPUTADORES

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REDES DE COMPUTADORES

• Camada de Rede
• Professor M.Sc. Carlos Oberdan Rolim

Versão 110614_01
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• A CAMADA DE REDE
• Fornece serviços para o nível de transporte,
  sendo, frequentemente, a interface entre a rede
  do cliente e a empresa de transporte de dados
  (p.ex. Embratel).
• SUA PRINCIPAL FUNÇÃO É RECEBER BITS DE DADOS DA
  CAMADA SUPERIOR, ORGANIZÁ-LOS EM BLOCOS DE DADOS
  (PACOTES EM REDES COM CONEXÃO E DATAGRAMAS EM
  REDES SEM CONEXÃO) E DETERMINAR A MELHOR ROTA
  PARA QUE ESTES PACOTES ALCANCEM SEU DESTINO,
  TENDO COMO BASE ENDEREÇOS LÓGICOS DE ORIGEM E
  DESTINO.
• A camada de rede deve
• Fornecer serviços independentes da tecnologia da
  subrede
• Esconder do nível de transporte o número, tipo e
  a topologia das subredes existentes
• Oferecer ao nível de transporte um esquema de
  endereçamento uniforme, independente da
  tecnologia da subrede (LAN, MAN, WAN).

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Funções da camada de rede

• transporta pacote da estação remetente à
  receptora
• protocolos da camada de rede em cada estação,
  roteador
• três funções importantes
• determinação do caminho rota seguida por pacotes
  da origem ao destino. Algoritmos de roteamento
  (routing)
• comutação mover pacotes dentro do roteador da
  entrada à saída apropriada (switching)
• estabelecimento da chamada algumas arquiteturas
  de rede requerem determinar o caminho antes de
  enviar os dados (call setup)

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• A transferência de dados pode ser feita de dois
  modos

Modo datagrama Modo circuito virtual
Usado pela Internet Usado pelas operadoras
Subrede não confiável Subrede considerada mais confiável (pouco atraso, perda de pacotes)
Cada pacote contém endereço de origem e destino Cada pacote contém identificação de número do circuito
Subrede não guarda nenhuma informação Subrede precisa guardar informações a respeito da condição dos circuitov
Cada pacote é roteado independentemente Rota fixa é definida na abertura da conexão
Se roteador falha pacotes são perdidos Se roteador falha circuito é desfeito
Controle de congestionamento difícil Controle de congestionamento fácil (a nível de circuito)
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• Algoritmo de Roteamento
• Roteamento é o mecanismo pelo qual se escolhe o
  caminho (canal de comunicação) que um pacote deve
  seguir para atingir seu destino.
• Em redes modo datagrama, cada datagrama tem de
  carregar seu endereço destino e a decisão de
  roteamento é tomada em cada nó da rede, para cada
  datagrama que chega.

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• Algoritmo de Roteamento
• Em redes modo circuito virtual os pacotes não
  precisam carregar o endereço destino (só a
  identificação da conexão) e a decisão de
  roteamento é tomada no estabelecimento da
  conexão, após a qual todo pacote segue sempre o
  mesmo caminho - roteamento por sessão.

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• Algoritmo de Roteamento
• Um algoritmo de roteamento deve oferecer
• Correticidade (funciona)
• Simplicidade (é fácil de entender/usar)
• Robustez (suporta falhas na rede)
• Estabilidade (fixa caminhos rapidamente)
• Equanimidade (distribui carga de modo justo) e
• Optimalidade (proporciona melhor caminho sempre).

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• Um algoritmo de roteamento pode ser
• Não adaptativo, quando as decisões de roteamento
  são definidas antecipadamente (pelo gerente da
  rede, p. ex.) e colocadas nos roteadores quando
  estes são ligados - roteamento estático
• Adaptativo, quando as decisões de roteamento são
  redefinidas continuamente, de acordo com a
  estrutura da rede (topologia, carga, etc.) -
  roteamento dinâmico.
• Nesse último caso, o algoritmo de roteamento pode
  ser do tipo Vetor-Distância ou Estado-do-Enlace,
  cujas características são resumidas na tabela a
  seguir.

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(No Transcript)
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• Controle de Congestionamento
• Congestionamento ocorre quando a quantidade de
  pacotes na rede é muito grande (normalmente isso
  ocorre quando se atinge um patamar da capacidade
  de carga dos canais de comunicação).

Padrão de comportamento na ocorrência
de congestionamento
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• O que congestiona?
• Pacotes chegando por canais de comunicação
  rápidos, tendo de sair por canais mais lentos
• Roteadores lentos
• Roteadores com pouca memória para armazenar
  pacotes temporariamente.

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• Como controlar fluxo?
• Modelo circuito aberto (open loop), propõe
  resolver os problemas na fase de
  projeto/configuração dos roteadores de modo a
  (tentar) garantir que não ocorra
  congestionamento. Para ajustar alguma coisa,
  tem-se de reinicializar tudo.
• Modelo circuito fechado (closed loop), propõe
• Monitoração do sistema para detectar quando e
  onde o congestionamento ocorre
• Passagem dessas informações para pontos de
  controle onde alguma ação pode ser tomada
• Ajuste da operação do sistema para corrigir o
  problema.

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• No modelo circuito fechado, o controle pode ser
• explícito, quando o ponto de congestionamento
  avisa (de alguma forma) a origem dos pacotes
  (p.ex. ATM com ABR)
• implícito, quando a origem dos pacotes deduz que
  há congestionamento fazendo observações
  localmente (p.ex., pela demora no recebimento de
  confirmação de entrega de pacotes, p.ex. TCP/IP).

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• Condicionamento de Tráfego (Traffic Shaping)
• Em redes que oferecem qualidade de serviço
  (Quality of Service - QoS), as estações clientes
  podem ser forçadas a transmitir a uma taxa
  uniforme, previamente acertada com a rede antes
  do início da transmissão (via abertura de
  conexão).
• Dessa forma, recursos podem ser reservados
  antecipadamente, de modo que se possa garantir a
  não sobrecarga da rede - o tráfego é, sempre que
  possível, previsível.

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• Condicionamento de Tráfego (Traffic Shaping)
• Esse tipo de controle (de modelo circuito aberto)
  é largamente usado em redes ATM.
• Evidentemente, a rede (responsável pela mesma)
  deve também fazer um monitoramento de tráfego
  para evitar que estações clientes gerem tráfego
  fora do padrão solicitado para a rede.
• Esse esquema é mais facilmente implementado em
  redes baseadas em circuito virtual do que em
  redes baseadas em datagrama.

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• Algoritmo do Balde Furado (Leaky Bucket
  Algorithm)
• Outro mecanismo (de modelo circuito aberto) é o
  do Balde Furado, onde uma fila de tamanho finito
  age como um depósito de contenção para suportar
  rajadas de tráfego descartando o mínimo de
  pacotes e colocando-os para transmissão de modo
  controlado.
• O controle é feito enviando-se para a rede
  pacotes sempre em uma velocidade constante
  (basicamente em função da capacidade do canal, do
  tempo de propagação e do tamanho máximo do pacote
  admitido) - tipo um pacote a dada ?T.

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Modelo do Balde Furado para Pacotes
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• Interconexão de Redes
• Problema como interconectar redes heterogêneas ?
• Três problemas com interconexão a nível de enlace
  de dados
• Expansão difícil para diferentes tecnologias de
  enlace de dados.
• Expansão difícil com o crescimento de número de
  hospedeiros ou redes.
• Diferentes espaços de endereçamento.

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• Interconexão de redes

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• Dificuldade de Expansão com diferentes
  tecnologias de enlace de dados
• Conversão entre estruturas de quadros.
• Problema de escalabilidade quando o número de
  tecnologias de enlace de dados aumenta.

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• Espaço de endereço MAC não homogêneo
• O número de bits usado em endereço MAC pode ser.
• Endereços MAC de 48 bits do IEEE
• IBM recomenda outros endereços MAC administrados
  localmente (ignorando os endereços MAC
  embutidos).
• Cada endereço em uma tecnologia de enlace de
  dados deve ser universalmente único, mas a sua
  unicidade não é garantida quando várias redes são
  atravessadas

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• A Solução da camada três para interconexão de
  redes
• Substituir switches de LAN por switches de camada
  três, mais conhecidos como roteadores.
• Acrescentar software de IP a cada hospedeiro
  final (junto com o todo conjunto de softwares).
• Atribuir um endereço IP a cada interface de rede.

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• A Solução da camada três para interconexão de
  redes

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• IP escalabilidade para as tecnologias de enlace
  de dados

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• Endereçamento
• Ao nível de rede, cada elemento (máquina final ou
  intermediária) precisa ser identificado de forma
  única na rede, independente da tecnologia da
  subrede utilizada.
• Rede IP usa hierarquia para conseguir
  escalabilidade.
• Há pelo menos três níveis
• Um simples hospedeiro IP (servidor.san.uri.br)
• Uma sub-rede IP (san.uri.br)
• Um sistema autônomo (uri.br)
• Criação de um espaço de endereço para
  identificação de interfaces de rede.
• Classes A a C para unicast e uma classe D para
  multicast

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DATAGRAMA IP
comprimento total do datagrama (bytes)
número da versão do protocolo IP
32 bits
tipo de serviço
comp.cab
comprimento do cabeçalho (bytes)
ver
comprimento
para fragmentação/ remontagem
início do fragmento
tipo dos dados (DS)
bits
ident. 16-bits
camada superior
sobre-vida
checksum Internet
número máximo de enlaces restantes (decrementado
a cada roteador)
endereço IP de origem 32 bits
endereço IP de destino 32 bits
protocolo da camadasuperior ao qual entregar os
dados
p.ex. temporizador, registrar rota seguida,
especificar lista de roteadores a visitar.
Opções (se tiver)
dados (comprimento variável, tipicamente um
segmento TCP ou UDP)
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Endereçamento IP
Um endereço de IP não identifica um computador
específico. Pelo contrário, cada endereço de IP
identifica uma conexão entre um computador e uma
rede. Um computador com conexões de rede
múltiplas (por exemplo, router) deve ser
atribuído um endereço IP para cada conexão.
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Endereçamento IP

• Virtual
• só reconhecido por software
• Utilizado para toda a comunicação numa rede de
  interconexão
• IPv4 inteiro de 32 bits
• Valor distinto para cada Computador/interface

• Fornece uma abstração
• Independente de endereçamento de hardware (MAC)
• Utilizado por
• Protocolos de camada mais altas
• Aplicações

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Endereçamento IP

• Dividido em duas partes
• prefixo identifica a rede
• sufixo identifica o computador/interface
• Autoridade global atribui um prefixo distinto
  para a rede
• Administrador local atribui sufixo distinto para
  o computador/interface

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Endereço IP
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Endereço IP. Notação Decimal

• Representa cada octeto em decimal separado por
  pontos
• Não é igual a nomes como www.xyz.com.br

129.194.69.68 Endereço IP
129.194 id-rede 1000 0001 1100 0010 69.68
id-computador 0100 0101 0100 0100

• Quatro valores decimais por endereço de 32 bits
• Cada número decimal
• representa oito bits
• está entre 0 e 255 inclusivo

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Endereço IP. Notação Decimal
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Endereçamento hierárquico
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Classe de Endereços IP
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Número de redes e hosts por classe
Classe Primeiros bits Intervalo do 1º octeto Núm. de redes Número de hosts
A 0 1 a 126 128 (28) 16.777.216 (224)
B 10 128 a 191 16.384 (214) 65.536 (2116)
C 110 192 a 223 2.097.152(221) 256 (28)
D 1110 224 a 239 Utilizado para tráfego Multicast Utilizado para tráfego Multicast
E 1111 240 a 254 Reservado para uso futuro Reservado para uso futuro
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Intervalos de endereços por classe
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Endereços Reservados

• Identificador de rede não pode ser 127
• 127 é reservado para fins de loop-back
• Os identificadores de rede e de hospedeiro não
  podem ser 255 (todos os bits iguais a 1)
• 255 é um endereço para difusão
• Os identificadores de rede e de hospedeiro não
  podem ser 0 (todos os bits iguais a 0)
• 0 (zero) significa somente esta rede
• O identificador de hospedeiro deve ser único na
  rede

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Endereços Privados

• A RFC 1918 define alguns intervalos de IPs como
  não roteáveis

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Interconexão usando IP
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Endereçamento IP
Problemas endereçamento original

• Crescimento de Internet
• Tamanho de tabela de routing
• Esgotamento de endereços
• Peso Administrativo
• Má utilização de endereços

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Soluções introduzidas

• NAT (Network Address Translation) 1994 (RFC
  1631)
• Rede interna -- endereço privado --- Gateway
  --- endereço público -- Internet
• Endereçamento subrede (subnetting) - 1985
• Subdividir uma classe grande em redes menores ?
  mascara de rede (netmask)
• Roteamento inter-domínio sem classes (classless
  interdomain routing - CIDR) - 1993
• introduzido em 1993 endereçamento IP mais
  eficiente e flexível
• CIDR é conhecido também como endereçamento
  super-rede (supernetting). Os endereçamentos
  subrede e super-rede têm basicamente o mesmo
  conceito.
• IPv6
• Solução completa do problema

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O conceito de subrede
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Máscara de suberede

• Auxilia na definição de que porção do endereço
  define rede e host
• Classes A, B e C possuem máscaras padrão
• Classe A 255.0.0.0 ou /8
• Classe B 255.255.0.0 ou /16
• Classe C 255.255.255.0 ou /24
• Determina se um host está na subrede local ou
  remota
• Mascara de rede vista somente dentro da
  organização

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Exemplo de máscara de suberede
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Roteamento Interdomínio sem Classes (CIDR)
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Roteamento Interdomínio sem Classes (CIDR)

• O espaço de endereço IP é quebrado em segmentos
  
• Cada segmento é descrito por um prefixo.
• Um prefixo tem a forma x/y, onde x indica o
  prefixo de todos os endereços no segmento, e y
  indica o comprimento do segmento.
• Por exemplo, o prefixo 128.9/16 representa o
  segmento de rede que contém os endereços no
  intervalo 128.9.0.0 128.9.255.255

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Hosts Netmask Quantidade de uma classe C
/32 1 255.255.255.255 1/128
/30 4 255.255.255.252 1/64
/29 8 255.255.255.248 1/32
/28 16 255.255.255.240 1/16
/27 32 255.255.255.224 1/8
/26 64 255.255.255.192 1/4
/25 128 255.255.255.128 1/2
/24 256 255.255.255.0 1
/23 512 255.255.254.0 2
/22 1.024 255.255.252.0 4
/21 2.048 255.255.248.0 8
/20 4.096 255.255.240.0 16
/19 8.192 255.255.224.0 32
/18 16.384 255.255.192.0 64
/17 32.768 255.255.128.0 128
/16 65.536 255.255.0.0 256
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Roteamento Interdomínio sem Classes (CIDR)

• Agregação de prefixos
• Se um provedor de Internet presta serviço a
  várias companhias com vários prefixos, pode
  (algumas vezes) agregá-los em um único prefixo.
  Os outros roteadores podem reduzir o tamanho da
  tabela de endereço.

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A Camada de Rede na Internet

• Funções da camada de rede em estações, roteadores

Camada de transporte TCP, UDP
Camada de rede
Camada de enlace
Camada física