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R E D E S I - Parte 3Modelos de referência OSI e TCP/IP

Prof. Me. Luiz Fernando L. Nascimento Versão 1.1 / 2014

Pacotes

Em redes de computadores modernos a transmissão de dados não ocorre através de bits contínuos.

Os dados são divididos em pequenos blocos de dados que são chamados de pacotes (comutação de pacotes).

Cada pacote pode ter até 1500 bytes (tamanho padrão).

Esse processo permite que os dados trafegados na rede possam ter:

• Tratamento de erros de transmissão;• Acesso compartilhado do meio de transmissão (custo);• Compartilhamento justo entre outros computadores.

Pacotes

Livro.pdf(5335 bytes)

Assim, ao se desejar enviar um arquivo “livro.pdf” pela rede, primeiro será invocado o protocolo de rede de transmissão (TCP/IP – Protocolo padrão).

Em seguida o arquivo será fraciando em pequenos pedados.


Mensagem 01 (1500 bytes)




Pacotes






Pacotes

Interface de rede Origem da mensagem

Cada pacote carrega informaçõessobre a origem /destino ...

0 1 1 0 0 1

0 0 1 1

Pacotes

Uma rota que pode ser seguida por todos os outros pacotes na mensagem ou por nenhum deles. Isso torna a rede mais eficiente.

Interface de rede Destino da mensagem

01 02

03 04

0 1 1 0 0 1

0 0 1 1

Dados sendo trafegados pela rede

Um fluxo de pacotes indo do transmissor até o receptor (Tanenbaum)

Pacotes

Primeiro, a rede pode equilibrar a carga através de seus diversos equipamentos em uma base de milissegundos.

Segundo, se houver um problema em um equipamento na rede enquanto uma mensagem estiver sendo transferida, os pacotes podem utilizar outra rota, assegurando a entrega da mensagem inteira.


01 02

03 04

0 1 1 0 0 1

0 0 1 1


Pacotes


01 02

03 04

0 1 1 0 0 1

0 0 1 1


Exemplo de um pacote sendo trafegado na rede

Pacote capturado através de um sniffer de rede (snort)

IP Origem IP Destino

Pacotes


01 02

03 04






Recebe Todos os pacotes Reordena e apresenta

Frames e Pacotes

Ao chegar do outro lado, o "envelope" é removido e o pacote TCP/IP é entregue.

A transmissão de cada frame (quadro) começa com o envio de 8 bytes, que serve para avisar outros micros da rede de que uma transmissão está prestes a começar.

Estes 8 bytes iniciais não fazem parte do frame e são descartados pelas placas de rede depois de recebidos, por isso não aparecem no relatório mostrado por sniffers de rede.

CRC, são usados pelas placas de rede para verificar a integridade do frame recebido. Este cabeçalho é também chamado de "MAC Header".

Protocolos são programas e devem ser instalados em componentes de rede que precisam deles.

Computadores só podem comunicar-se entre si se utilizarem o mesmo protocolo.

Se o protocolo usado por um computador não for compatível pelo usado em outro, eles não podem trocar informações.

Protocolos

Dois tipos de protocolos existem: abertos e específicos.

Protocolos Abertos: São protocolos feitos para o padrão da indústria. Eles se comunicam com outros protocolos que utilizam o mesmo padrão. Um protocolo aberto não possui dono e todos os sistemas podem fazer implementações livremente. Um ótimo exemplo do que é um protocolo aberto é o TCP/IP (Transfer Control Protocol / Internet Protocol).Ele é composto por muitos outros protocolos e está implementado em muitos sistemas (como Macintosh, Windows, Linux, Unix, etc...).

Protocolos Específicos: São feitos para ambientes de redes fechados e possuem donos. Como é o caso do IPX / SPX que foi desenvolvido especificamente para a estrutura Novell Netware.

Protocolos

Modelo OSI (Open Systems Interconnection)


A Organização Internacional de Normalização (ISO - International Standards Organization), aprovou, no início da década de 1980, um modelo de arquitetura para sistemas abertos, denominado Modelo OSI (Open Systems Interconnection).

O objetivo desse modelo é facilitar o processo de padronização e obter interconectividade entre máquinas de diferentes fabricantes, isto é, servindo de base para a implementação de qualquer tipo de rede, seja de curta, média ou longa.


A arquitetura OSI de uma rede é formada por camadas (ou níveis), interfaces e protocolos.

As camadas são processos, implementados por hardware ou software, que se comunicam com o processo correspondente na outra máquina.

Cada camada oferece um conjunto de serviços ao nível superior, usando funções realizadas no próprio nível e serviços disponíveis nos níveis inferiores.


PDU (Protocol Data Unit, ou Protocolo de Unidade de Dados)

A camada Física OSI fornece os requisitos para transportar pelo meio físico de rede os bits que formam o quadro da camada de Enlace de Dados.

Essa camada recebe um quadro completo da camada de Enlace de Dados e o codifica como uma série de sinais que serão transmitidos para o meio físico local.

Os bits codificados que formam um quadro são recebidos por um dispositivo final ou por um dispositivo intermediário.

0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1

0 1 1 0 1 10 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1

0 1 1 0 1 1

PDU: Bits

O objetivo da camada Física:

Criar o sinal elétrico, óptico ou microondas que representa os bits em cada quadro e transmiti-los através de uma via de comunicação. Esses sinais são enviados posteriormente para o meio físico um de cada vez.

Recuperar os sinais individuais do meio físico, restaurá-los às suas representações de bit e enviar os bits para a camada de Enlace de Dados como um quadro completo

PDU: Bits

• Número de volts que devem representar os níveis lógicos "1" e "0";

• Número de pinos do conector e utilidade de cada um;

• Transmissão simplex, half duplex ou full duplex;

• Velocidade máxima da transmissão;

• Diâmetro dos condutores.

Este nível trabalha basicamente com as características mecânicas e elétricas do meio físico, como por exemplo:

Sigla de alguns protocolos importantes: DSL, IEEE 802.11, IEEE 802.15, IEEE 802.16, IEEE 802.3, ISDN, PDH, RS-232, Sonet/SDH, USB.

PDU: Bits

Após a camada física ter formatado os dados demaneira que a camada de enlace os entenda,inicia-se a segunda parte do processo.

A camada de enlace já entende um endereço físico denominado (MAC Address – Media Access Control ou Controle de acesso a mídia).

MAC Address é um endereço Hexadecimal de 48 bits.

IEEE - Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (Institute of Eletrical and Eletronic Engineers)

PDU: Quadro

A camada e enlace trata as topologias de rede, dispositivos como Switch (comutador), placa de rede, conversor de fibra óptica, etc.

Após o recebimento dos bits, transforma em unidade de dados, subtrai o endereço físico e encaminha para a camada de rede que continua o processo.

Sigla de alguns protocolos importantes: ATM, MAC, Frame Relay, HDLC, LLC, PPP, SDLC, X-25

PDU: Quadro

A camada 3 é responsável pelo tráfego no processo de interligação de redes (internetworking).

WAN - Rede de Longa Distância (Wide Area Network)

A partir de dispositivos como roteadores, ela decide qual o melhor caminho (rotas) para os dados no processo, bem como estabelecimento das rotas, além de e gerenciar as tabelas de roteamento.

PDU: Pacote

A camada 3 já entende o endereço físico, que o converte para endereço lógico (o endereço IP).

Exemplo de protocolos de endereçamento lógico são: o IP e o IPX.

Sigla de alguns protocolos importantes: ARP, IP, ICMP, IGMP, IPSec

Porta WANPortanto, permite roteamento

PDU: Pacote

Vamos imaginar uma situação prática, onde você deseja enviar um arquivocom cerca de 10 MB de um computador (origem) para outro computador (destino).

Uma das primeiras coisas há ser feita é encontrar uma rota, i.e., um caminho entre a origem e o destino. Este é o papel do protocolo IP, mais especificamente da função de roteamento.

Encontrado o caminho, o próximo passo é dividir o arquivo de 10 MB em pacotes de tamanhos menores, os quais possam ser enviados pelos equipamentos da rede.

Além da divisão em pacotes menores, é necessário que haja a garantia que todos os pacotes sejam entregues, sem erros e sem alterações.

Contextualização

PDU: Segmento

Poderá ainda ocorrer de os pacotes chegarem fora de ordem. Nesse caso, é necessário identificar a ordem correta de forma que a entrega os pacotes para o programa de destino seja feita na ordem correta.

Por exemplo, pode acontecer de o pacote número 10 chegar antes dopacote número 9. Neste caso, é necessário aguardar a chegada do pacote número 9 e entregá-los na ordem correta.

Pode também acontecer de serem perdidos pacotes durante o transporte. Neste caso, deve-se informar à origem de que determinado pacote não foi recebido no tempo esperado e solicitar que este seja retransmitido.

PDU: Segmento

A camada de Transporte possui doisprotocolos: o UDP e o TCP.

UDP (User Datagram Protocol): realiza apenas a multiplexação para que várias aplicações possam acessar o sistema decomunicação de forma coerente. (Ex. mensagem envia por broadcast)

TCP (Transmission Control Protocol): realiza além da multiplexação, uma série de funções para tornar a comunicação mais confiável. Algumas de suas características são: controle de fluxo, controle de erro, sequenciação e multiplexação de mensagens.

PDU: Segmento

Quanto a comunicação nos enlaces, essas podem ocorrer de três formas:

Simplex: A transmissão ocorre em apenas um sentido no canal de comunicação.Como exemplo, temos a televisão e o rádio.

Half Duplex: A transmissão pode ocorrer nos dois sentidos, mas não simultaneamente. Exemplo: Walk talk.

Full Duplex: A transmissão pode ocorrer simultaneamente nos dois sentidos. Celulares são o exemplo mais clássico.

PDU: Segmento

Comparando UDP e TCP:

PDU: Segmento

RFC 768 RFC 793

Os RFC (Request For Comments) são um conjunto de documentos de referência junto da Comunidade Internet e que descrevem, especificam, ajudam a aplicação, estandardizam e debatem a maioria das normas, padrões, de tecnologias e protocolos ligados à Internet e às redes em geral.

A camada de Transporte fornece um serviço de transporte confiável de dados, transparente para as camadas superiores do Modelo OSI.

- Garante que os dados sejam entregues livres de erros, em sequência e sem perdas ou duplicações.

- Recoloca as mensagens em segmentos, dividindo mensagens longas em vários segmentos menores ou agrupando mensagens pequenas em apenas um segmento, para haver maior eficiência na transmissão dos dados.

Em resumo...

Sigla de alguns protocolos importantes: TCP, UDP

PDU: Segmento

A camada de Sessão estabelece, gerencia e encerra sessões de comunicação, que consiste de requisições e respostas do serviço entre duas aplicações localizadas em dois computadores em rede.

Na sessão são estabelecidas as características da comunicação: qual lado transmite, quando, durante quanto tempo e assim por diante.

PDU: Dados

PDU: Dados

Esta camada é conhecida como sendo a “camada de tradução”, pois os dados são representados por formatos adequados para cada tipo de dado ou aplicação. Portanto, essa camada

- fornece as funções de formato dos dados, como o tipo de codificação e conversão de dados (compressão/descompressão e criptografia/descriptografia);

- é responsável pelo encapsulamento das informações em pacotes de bits;

Por isso, tem-se vários formatos utilizados para texto, imagem, sons, vídeos e outros, que podem ser convertidos (traduzidos) conforme são transmitidos de um computador para outro dentro da rede.

PDU: Dados

É a camada que fornece a interface entre as aplicações que utilizamos para comunicação e a rede subjacente pela qual nossas mensagens são transmitidas.

Os protocolos da camada de aplicação são utilizados para troca de dados entre programas executados nos hosts de origem e de destino.

Há muitos protocolos da camada de Aplicação,e outros novos estão emconstante desenvolvimento.

PDU: Dados

A camada de aplicação é o nível que possui o maior número de protocolos existentes, devido ao fato de estar mais perto do usuário e os usuários possuírem necessidades diferentes.

Resumindo...

• Aplicação: Serviços de rede ao nível do aplicativo.

• Apresentação: Formato dos dados.

• Sessão: Estabelece, gerencia e encerra a comunicação.

• Transporte: Entrega os dados sem erros e em sequência.

• Rede: Endereço e rede e roteamento.

• Enlace: Características de rede e endereço físico;

• Física: Especificações elétricas, mecânicas e funcionais.

Modelo TCP / IP

O Protocolo TCP/IP surgiu em meados a guerra fria com uma forma de comunicação entre os vários setores do exército e outros órgãos do governo e universidades.

Com isso a ARPANET, surgiu como uma rede que permaneceria intacta caso um dos servidores perdesse a conexão, e para isso, ela necessitava de protocolos que assegurassem tais funcionalidades trazendo confiabilidade, flexibilidade e que fosse fácil de implementar.

ARPA (Advanced Research Projects Agency – Agência de Projetos de Pesquisa Avançados), órgão responsável pelo desenvolvimento de projetos especiais, criou a ARPANET (a palavra “net” em inglês significa “rede”). Se dividirmos o nome deste invento teremos algo parecido com “Rede da Agência de Projetos de Pesquisa Avançados”

Arquitetura TCP / IP

À medida que a Internet começou, a cada dia, tornar-se mais popular, com o aumento exponencial do número de usuários.

O protocolo TCP/IP passou a tornar-se um padrão de fato, utilizando não só na Internet, como também nas redes internas das empresas, redes estas que começavam a ser conectadas à Internet.

Como as redes internas precisavam conectar-se à Internet, tinham que usar o mesmo protocolo da Internet, ou seja: TCP/IP.


O IP atualmente funciona em duas versões, a versão 4 que é comumente conhecida apenas como IPv4, e a versão 6, que também é abreviada, sendo chamada apenas de IPv6. Nesse material, iremos nos referir ao IPv4 apenas, pois ainda é a versão mais utilizada mundialmente.

Dos principais Sistemas Operacionais do mercado, o UNIX sempre utilizou o protocolo TCP/IP como padrão.

O Windows dá suporte ao protocolo TCP/IP desde as primeiras versões, porém o TCP/IP somente tornou-se o protocolo padrão a partir do Windows 2000.

Ser o protocolo padrão significa que o TCP/IP será instalado durante a instalação do Sistema Operacional, a não ser que um protocolo diferente seja selecionado.

Até mesmo o Sistema Operacional Novell, que sempre foi baseado no IPX/SPX como protocolo padrão, passou a adotar o TCP/IP como padrão a partir da versão 5.0.


Até mesmo o Sistema Operacional Novell, que sempre foi baseado no IPX/SPX como protocolo padrão, passou a adotar o TCP/IP como padrão a partir da versão 5.0.


Telas do servidor Novell Netware e configurações do protocolo IPX/SPX

O TCP/IP, na verdade, é formado por um grande conjunto de diferentesprotocolos e serviços de rede. O nome TCP/IP deriva dos dois protocolos mais importantes e mais utilizados, que são os seguintes:

IP (Internet Protocol): É um protocolo de endereçamento, sendo que suas principais funções são endereçamento e roteamento, i.e., fornece uma maneira para identificar unicamente cada máquina da rede (endereço IP) e uma maneira de encontrar um caminho entre a origem e o destino (roteamento).

TCP (Transmission Control Protocol): Protocolo de Transporte. É um padrão definido na RFC 793, que fornece um serviço de entrega de pacotes confiável e orientado por conexão. (Relembrado – Descrito no Modelo OSI)


O modelo TCP/IP quando comparado com o modelo OSI, tem duas camadas que se formam a partir da fusão de algumas camadas, elas são: as camadas de Aplicação (Aplicação, Apresentação e Sessão) e Rede (Link de dados e Física)


O modelo TCP/IP com suas camadas, seus protocolos e sua ligação física.


Ao imaginar um usuário, utilizando um computador com conexão à Internet. Este usuário, pode, ao mesmo tempo, acessar um ou mais sites da Internet, usar o Outlook Express para ler suas mensagens de email, estar conectado a um servidor de FTP, usando um programa como o WS-FTP, para fazer download de um ou mais arquivos, estar jogando através da Internet e assim por diante.

Todas as informações que este usuário recebe estão chegando através de pacotes que chegam até a placa de rede.

Como o sistema sabe para qual dos programas se destina cada um dos pacotes

que estão chegando no computador?


Contextualização

A resposta para esta questão é o mecanismo deportas utilizado pelo TCP/IP.

Cada programa trabalha com um protocolo/serviço específico, ao qual está associado um número de porta.

Por exemplo, o serviço de FTP, normalmente opera na porta 21 (na verdade usa duas portas, uma para controle e outra para o envio de dados).

Todo pacote que for enviado do servidor FTP para o cliente, terá, além dos dados que estão sendo enviados, uma série de dados de controle, tais como o número do pacote, código de validação dos dados e também o número da porta.


Quando o pacote chega no seu computador, o sistema lê no pacote o número da porta e sabepara quem encaminhar o pacote.

Em outro exemplo, o protocolo HTTP, utilizado para otransporte de informações de um servidor Web até o seu navegador, opera, por padrão, na porta 80.

Os pacotes que chegarem, destinados à porta 80, serão encaminhados para o navegador. Se houver mais de uma janela do navegador aberta, cada uma acessando diferentes páginas, o sistema inclui informações, além da porta, capazes de identificar cada janela individualmente.


Os programas TCP usam números de porta reservados ou conhecidos, conforme apresentado na seguinte ilustração:

O conceito de Portas TCP

http://www.iana.org/assignments/port-numbers

A lista atualizada e completa de todas as portas TCP conhecidas e registradas atualmente pode ser encontrada em:


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