74 6. AULA 6 – CAMADA DE REDE Objetivos da Aula Aprender os conceitos e o funcionamento da camada de rede. Compreender e realizar o endereçamento de redes e subredes de computadores utilizando o protocolo IP. Entender como ocorre o roteamento de pacotes, com foco no modelo Internet. A função principal da camada de rede é permitir que o dispositivo transmissor envie uma mensagem para um receptor que não esteja diretamente ligado a ele, utilizando para isso dispositivos intermediários. Esse processo de reencaminhamento da mensagem é chamado de comutação e é realizado por dispositivos chamados de comutadores, que formam a rede de interconexão (itens D, E, F, G e H da Figura 6.1). No modelo Internet, essa função é chamada de roteamento e os dispositivos de roteadores. Um cenário para exemplificar a definição descrita anteriormente é representado pela figura a seguir. Figura 6.1: Camada de rede O computador cliente deseja acessar a página Web do servidor com endereço IP 200.10.10.3. O cliente está conectado a um dos roteadores da concessionária de comunicação (que pode ser o provedor de Internet de uma cidade), denominado D. Já o servidor Web que possui a página desejada está ligado ao roteador H de sua concessionária de comunicação. Na grande maioria dos modelos, a camada de rede utiliza a comutação por pacotes. Dessa forma, os dados são divididos em unidades menores denominadas pacotes, que
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
74
6. AULA 6 – CAMADA DE REDE
Objetivos da Aula Aprender os conceitos e o funcionamento da camada de rede. Compreender e realizar o
endereçamento de redes e subredes de computadores utilizando o protocolo IP.
Entender como ocorre o roteamento de pacotes, com foco no modelo Internet.
A função principal da camada de rede é permitir que o dispositivo transmissor envie
uma mensagem para um receptor que não esteja diretamente ligado a ele, utilizando
para isso dispositivos intermediários. Esse processo de reencaminhamento da
mensagem é chamado de comutação e é realizado por dispositivos chamados de
comutadores, que formam a rede de interconexão (itens D, E, F, G e H da Figura 6.1).
No modelo Internet, essa função é chamada de roteamento e os dispositivos de
roteadores. Um cenário para exemplificar a definição descrita anteriormente é
representado pela figura a seguir.
Figura 6.1: Camada de rede
O computador cliente deseja acessar a página Web do servidor com endereço IP
200.10.10.3. O cliente está conectado a um dos roteadores da concessionária de
comunicação (que pode ser o provedor de Internet de uma cidade), denominado D. Já o
servidor Web que possui a página desejada está ligado ao roteador H de sua
concessionária de comunicação.
Na grande maioria dos modelos, a camada de rede utiliza a comutação por pacotes.
Dessa forma, os dados são divididos em unidades menores denominadas pacotes, que
75
são encaminhados para a rede de interconexão. Para conseguirmos entender como o
computador cliente pode trocar pacotes (fragmentação dos dados) com do servidor Web,
precisamos compreender como funciona a comutação.
6.1. Comutação
Quando as redes superam os limites geográficos, as conexões por cabos, fibras, wireless
que fazem parte da estrutura de LANS se tornam inviáveis. Para interligarmos LANs
distantes geograficamente necessitamos de tecnologias de transmissão de WANs.
A comutação é o processo de interligar dois ou mais pontos entre si utilizando
dispositivos intermediários. Na Figura 6.1 os dispositivos cliente e servidor estão
conectados a uma rede distribuída e para que se comuniquem é necessário que a
mensagem saia do cliente e seja encaminhada entre os dispositivos D�G�H, por
exemplo, para que seja possível a entrega da mesma ao servidor.
A Figura 6.2 faz uma relação entre o modelo de camadas e o processo de comutação.
Enquanto os computadores cliente e servidor Web que emitem e recebem os dados
implementam as cinco camadas do modelo, dispositivos comutadores (chamados de
roteadores no modelo Internet) implementam somente as camadas física, enlace e rede,
necessárias para o encaminhamento dos dados.
Figura 6.2: Ambiência de ensino-aprendizagem
A comutação é a base para o funcionamento de redes distribuídas, como o sistema de
telefonia e a Internet. Ela pode ser realizada de duas formas: comutação por circuito e
comutação por pacotes, que serão detalhadas a seguir.
76
6.1.1. Comutação por Circuitos
A comutação por circuitos estabelece um caminho (comutadores utilizados para a
transmissão) interligando a origem ao destino antes do início de envio da mensagem. O
caminho estabelecido permanece dedicado até o final da transmissão. Esse tipo de
comutação pode ser dividido em três etapas: o estabelecimento do circuito, a
conversação e a desconexão do circuito.
Na primeira etapa, uma rota fixa conectando pares de comutadores é estabelecida para
que os dispositivos envolvidos possam se comunicar. No exemplo da Figura 6.3, o
circuito formado pelos comutadores A, C e E foi alocado para a transmissão. Depois de
criado, o circuito permanecerá dedicado até que a origem ou o destino encerre a
conexão, ou seja, outros dispositivos não poderão utilizar os recursos alocados. Em
seguida, as estações envolvidas podem trocar informações entre si, transmitindo e
recebendo dados através do circuito (caminho) já estabelecido. Esta transferência de
dados corresponde à segunda etapa da comutação de circuitos.
Figura 6.3: Comutação por circuitos
Após a troca de dados (pacotes 1, 2, 3 e 4 da Figura 6.3), a conexão é finalmente
encerrada, quase sempre pela ação de uma das estações comunicantes. Nesta última
etapa, todos os nós intermediários do circuito precisam ser desalocados de modo a
serem reutilizados, conforme necessário, para formar novos circuitos entre quaisquer
estações pertencentes à rede. Para tanto, sinais de controle são transmitidos para estes
nós, liberando recursos para outras conexões.
77
A comutação de circuitos é muito empregada em sistemas telefônicos, devido à natureza
contínua que caracteriza a comunicação por voz.
Uma vantagem da comutação por circuitos em relação, em comparação com a
comutação por pacotes (apresentada na próxima seção), é que os pacotes tendem a
chegar na ordem em que foram enviados. Uma grande desvantagem é que se um dos
comutadores do circuito dedicado para a transmissão ficarem indisponíveis, a
transmissão será interrompida.
6.1.2. Comutação por Pacotes
A comutação de pacotes é um paradigma de comunicação de dados em que pacotes
(unidade de transferência de informação) são individualmente encaminhados entre nós
da rede através de ligações de dados tipicamente partilhadas por outros nós. Este
contrasta com a comutação de circuitos, que estabelece uma ligação virtual entre ambos
nós para seu uso exclusivo durante a transmissão (mesmo quando não há nada a
transmitir).
A comutação por pacotes é a base para a implementação das redes de computadores
modernas, como a Internet, redes ATM e Frame Relay.
Na comutação por pacotes não existe um circuito dedicado interligando a origem ao
destino para o envio da mensagem. Primeiramente, a mensagem é dividida em partes
menores chamadas de pacotes, de forma que cada pacote possui o endereço do
dispositivo de destino. Em seguida os pacotes são encaminhados para os dispositivos
intermediários (os roteadores) que recebem os pacotes e reencaminham os mesmos de
forma independente, ou seja, os pacotes na rede podem tomar caminhos diferentes no
caminho até o destino, como pode ser visto na Figura 6.4
Figura 6.4: Comutação por pacotes
78
A grande vantagem da comutação por pacotes é o melhor uso da rede de interconexão.
Como não existe um circuito dedicado a uma transmissão, os caminhos da rede podem
ser compartilhados por diversos pacotes de aplicações de diversos usuários. Outra
vantagem é que, caso um dos roteadores da rede se torne indisponível, a transmissão
não será interrompida (caso exista outro caminho).
As desvantagens ficam por conta do custo do processo de roteamento e também porque
os pacotes podem chegar fora da ordem de saída, ou seja, o pacote 2 pode chegar ao
destino antes do pacote 1.
A comutação por pacotes pode efetuar-se:
• Com ligação (circuito virtual): é estabelecido um caminho virtual fixo (sem
parâmetros fixos, como na comutação de circuitos) e todos os pacotes seguirão
por esse caminho. A diferença entre a comutação por pacotes do tipo circuito
virtual e a comutação por circuito virtual é que o circuito formado não é
dedicado a uma única transmissão e pode ser compartilhada por pacotes de
diferentes usuários e aplicações;
• Sem ligação (datagrama): os pacotes são injetados na rede e encaminhados
independentemente, oferecendo flexibilidade e robustez superiores (já que a rede
pode reajustar-se mediante a quebra de um link) embora seja necessário enviar
sempre o endereço de origem. Exemplo: IP. O algoritmo que irá gerenciar as
tabelas de rotas para as tomadas de decisões de roteamento são os algoritmos de
roteamento. Essa é a forma de comutação utilizada na Internet.
6.2. Endereçamento
O endereçamento é uma das funções mais importantes na transmissão das informações
em uma rede, pois permite identificar os dispositivos envolvidos na comunicação. Para
o entendimento do processo de endereçamento de uma rede, vamos adotar as funções
aplicadas à camada de rede do modelo Internet: o endereçamento IP (do inglês, Internet
Protocol).
Nas redes com endereçamento IP, como a Internet, cada host possui um endereço IP
único que identifica o dispositivo na rede.
79
6.2.1. Entendendo o endereço IP
Um endereço IP é um número de 32 bits (um bit pode assumir o valor de 0 ou 1)
composto por quatro partes (4 bytes) de 8 bits, chamados de octetos. Para sua
representação, os 4 octetos são separados por um ponto (.). A representação do IP é
dada em números decimais, para facilitar a leitura para o ser humano, dessa forma, cada
um dos 4 octetos (com 8 bits cada) pode variar de 0 a 255, pois, com 8 bits, o menor
valor decimal que se pode representar é zero e o maior é duzentos e cinquenta e cinco.
Para compreender o endereçamento IP, é imprescindível conhecer o sistema
de numeração binário e suas transformações para a base decimal.
Exemplo: 193.32.216.9 é um endereço IP valido e sua notação em binário é
11000001.00100000.11011000.00001001
A princípio, cada host possui um endereço IP único na rede. Para garantir que não haja
problemas de conflitos de endereços na Internet, ou seja, o mesmo endereço ser
utilizado por mais de um host, os endereços IP são atribuídos por uma corporação
chamada ICANN (do inglês, Internet Corporation for Assigned Names and Number).
Por sua vez, a ICANN delega a distribuição de endereços a diversas autoridades
regionais, e estes fazem a doação de endereços a empresas, universidades e ISPs
(Provedores de Internet).
Apesar de parecer simples, existem regras para a formação do endereço que será
utilizado com endereço IP. Uma parte do número IP é usada para representar a rede e a
outra parte representa o próprio computador, ou seja, o nó da rede.
Para entendermos no endereço IP o que representa a rede e o que representa o nó, é
necessário primeiro entendermos como funcionam as classes de endereço.
No total são cinco (5) classes, que recebem a identificação de A, B, C, D e E. Vamos
relacionar as classes e suas regras. Para facilitar, vamos dividir o endereço IP em octetos
(1 byte) e nomeá-los com as letras W.X.Y.Z, sendo W o primeiro octeto, X o segundo,
Y o terceiro e Z o quarto e último octeto, como pode ser visto na Tabela 6.1.
80
Para representarmos as Classes de endereçamento vamos utilizar somente o primeiro