Aula 01 - Redes de computadores - Protocolos de comunicação

Aula 01 - Redes de computadores - Protocolos de comunicação

1. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO Protocolos são conjuntos de regras e convenções que especificam como os dispositivos em uma rede devem se comunicar. Eles definem os formatos dos dados, a sequência de mensagens, a detecção e correção de erros, o controle de acesso e muitos outros aspectos necessários para a comunicação eficaz entre computadores em uma rede. Esses protocolos desempenham um papel fundamental na garantia de que diferentes dispositivos de rede, com hardware e software diversos, possam se comunicar e trocar informações de maneira consistente.

2. Modelo OSI/ISO

   • O Modelo OSI/ISO (Open Systems Interconnection / International Organization for Standardization) é um modelo de referência utilizado para entender como os protocolos de rede funcionam e interagem. Ele divide as funções de comunicação em uma rede de computadores em sete camadas, cada uma com um propósito específico. Essas camadas são organizadas hierarquicamente e servem como um guia para o desenvolvimento e a compreensão de protocolos de comunicação em redes
   • 7 camadas
     • O Modelo OSI é basicamente um modelo de referência para conexão e projetos de sistemas de redes que se baseia em camadas sobrepostas. Sendo bem rigoroso, esse modelo não é uma arquitetura de rede, dado que não especifica serviços e protocolos exatos que devem ser utilizados em cada camada. Em outras palavras, nem sempre será possível “encaixar” um protocolo em uma camada específica do Modelo OSI (Ex: X.25 é um protocolo que atua nas três primeiras camadas)  Esse modelo é apenas uma abstração teórica – uma referência conceitual – usado pela academia para representar o que seria um modelo perfeito de rede com suas respectivas descrições de camadas. Ele tem uma função mais didática do que pragmática. Não se trata de um modelo utilizado atualmente em redes de computadores – na prática, a arquitetura utilizada atualmente é o TCP/IP.
     • Camada Física
     • Camada de Enlace
       • Controle de Fluxo: se a velocidade na qual os dados são recebidos pelo receptor for menor que a velocidade na qual os dados são transmitidos pelo emissor, a camada de enlace de dados impõe um mecanismo de controle de fluxo para impedir que o receptor fique sobrecarregado.
         • Um método para implementar o controle de fluxo são as Janelas Deslizantes. Nele, o destinatário informa ao remetente quantos dados ele pode receber de uma vez. O remetente então ajusta a taxa de transmissão para garantir que não envie mais dados do que a capacidade disponível. O controle de fluxo envolve também o recebimento e a confirmação de pacotes. O destinatário informa ao remetente quais pacotes foram recebidos com sucesso e quais precisam ser retransmitidos.
       • Controle de Erros: essa camada adiciona mecanismos para detectar e retransmitir frames danificados ou perdidos e também usa mecanismos para reconhecer frames duplicados. Em geral, o controle de erros é obtido por meio de bits acrescentados ao final do quadro.
         • A camada de enlace é responsável por fornecer mecanismos de detecção de erros. Nesse sentido, ela garante que os dados sejam transmitidos de forma confiável entre dispositivos diretamente conectados, mas se ocorrerem erros durante a transmissão, ela pode detectá-los. Essa camada é capaz de identificar erros – causados, por exemplo, por ruídos eletromagnéticos ou atenuação de sinal – através de diversas técnicas (Ex: CRC, Verificação de Paridade, Checksum, etc). Quando o quadro é recebido, o dispositivo de destino verifica – por meio de alguma das técnicas mencionadas no parágrafo anterior – se ocorreram erros durante a transmissão de dados. Se um erro for detectado, o quadro pode ser descartado ou sua retransmissão pode ser solicitada. Para corrigir os erros detectados, também existem diversas técnicas (que não entraremos em detalhes devido à sua complexidade).
       • Controle de Acesso: quando dois ou mais dispositivos estiverem conectados ao mesmo link, são necessários protocolos da camada de enlace de dados para determinar qual dispositivo assumirá o controle do link em dado instante.
         • Essa camada possui duas subcamadas: Camada LLC (Logical Link Control) e Camada MAC (Media Access Control). A primeira subcamada é responsável pelos controles de fluxo e erros, abstraindo a subcamada MAC; e a segunda é responsável pelo controle de acesso múltiplo, definindo métodos de acesso específicos para diferentes tipos de redes locais (Ex: CSMA/CD para Ethernet; Tokens para Token Ring; etc).
     • Camada de Rede
     • Camada de Transporte
       • A camada de transporte é responsável pela entrega processo a processo de toda a mensagem. Processo é a instância de uma aplicação que está sendo executada em uma máquina. Embora a camada de rede supervisione a entrega da origem ao destino dos pacotes individuais, ela não reconhece qualquer relação entre esses pacotes. Ela trata cada um deles independentemente, como se cada trecho pertencesse a uma mensagem separada, ocorra isto ou não. Normalmente, computadores executam vários programas ao mesmo tempo. Logo, a entrega origem-ao-destino significa a entrega não apenas de um computador para o seguinte, mas também de um processo específico (programa em execução) em um computador para um processo específico no outro. A camada de rede encaminha cada pacote para o computador correto; a camada de transporte leva a mensagem inteira para o processo correto naquele computador. Na camada de transporte, uma mensagem é dividida em segmentos transmissíveis, com cada segmento contendo um número de sequência. Esses números permitem à camada de transporte remontar a mensagem corretamente após a chegada no destino e identificar e substituir pacotes que foram perdidos na transmissão. Ela também pode ser tanto orientada à conexão como não. Como assim, Diego? Uma camada de transporte não orientada à conexão trata cada segmento como um pacote independente e o entrega à camada de transporte na máquina de destino. Uma camada de transporte orientada à conexão estabelece em primeiro lugar uma conexão com a camada de transporte na máquina de destino antes de iniciar a entrega dos pacotes. Após todos os dados serem transferidos a conexão é encerrada. A camada de transporte também responsável por garantir que a mensagem chegue intacta e na sequência correta, supervisionando tanto o controle de erros como o controle de fluxo no nível origem-destino. Professor, a camada de enlace já não fazia um controle de erros e fluxo? Sim, mas ela fazia no nível nó e nó adjacente; aqui ocorre no nível origem-destino.
       • Sendo rigoroso com a nomenclatura utilizada (e as bancas, infelizmente, nem sempre são), existem três tipos de comunicação diferentes:
     • Camada de Sessão
     • Camada de Apresentação
     • Camada de Aplicação

3. Arquitetura TCP/IP

   • A arquitetura TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) é um conjunto de protocolos de comunicação que são amplamente utilizados na internet e em redes locais. Ela fornece um conjunto de regras e especificações que permitem que diferentes dispositivos se comuniquem em redes de computadores, independentemente do fabricante ou sistema operacional.
   • Protocolos da Camada de Rede
     • IP (Internet Protocol)
       • O IP é a base da comunicação na Internet, sendo responsável por rotear pacotes de dados de origem para destino em uma rede. Cada dispositivo conectado à Internet recebe um endereço IP exclusivo, que é usado para identificar e encaminhar dados para o destinatário correto. Quando um dispositivo deseja enviar dados para outro, ele divide os dados em pacotes. Cada pacote contém informações sobre o remetente, destinatário, dados reais e outros metadados – esses pacotes são então enviados pela rede. O roteamento é o processo pelo qual os pacotes são direcionados do remetente para o destinatário através de vários dispositivos intermediários, como roteadores.
       • Eles são exclusivos no sentido de que cada endereço define uma única conexão com a Internet – dois dispositivos jamais podem ter o mesmo endereço ao mesmo tempo na mesma rede. Além disso, eles são universais no sentido de que o sistema de endereçamento tem de ser aceito por qualquer host (máquina) que queira se conectar à Internet.
       • IP: Funcionamento
         • Passo 1: Endereço do Destinatário (Endereço IP)
           • Na internet, ocorre de maneira bastante similar: as informações que eu desejo transmitir são encapsuladas dentro de um envelope chamado Pacote IP, que contém necessariamente um endereço IP de origem e um endereço IP de destino. Na Internet, cada dispositivo possui um endereço IP exclusivo. O Protocolo IP é responsável por especificar o formato desse Pacote IP que trafegará entre roteadores e sistemas finais. Voltando à nossa analogia: assim como no Pacote IP, um envelope pode conter outras informações além dos dados em si (Ex: carimbo de identificação, data de envio da carta, quantidade de palavras contidas, entre outros). Em outras palavras, o Pacote IP conterá os dados em si, além de um cabeçalho com diversas outras informações que facilitem a entrega.
         • Passo 2: Divisão em Pacotes
           •  o IP divide dados grandes em pacotes menores antes de enviá-los pela rede em um processo conhecido como Fragmentação de Pacotes. Ele ocorre quando um pacote é muito grande para ser transmitido em uma rede com uma determinada capacidade máxima de carga útil. Quando um roteador encontra um pacote que é maior do que o tamanho máximo permitido pela rede seguinte (MTU - Maximum Transmission Unit), ele divide o pacote em fragmentos menores. Cada fragmento contém uma parte dos dados originais e é transmitido separadamente pela rede. No destino, os fragmentos são reagrupados para recriar o pacote original.  Esse limite é de 64 Kb
         • Passo 3: Correios (Roteadores)
           • Sabe quando você vai rastrear um pacote dos correios em que ele mostra cada agência que o pacote passou até chegar à sua casa? Pois é, os correios são os responsáveis por encaminhar cada envelope para a agência de destino. Os roteadores fazem o mesmo, encaminhando pacotes pela rede.
         • Passo 4: Roteamento
           • O roteamento refere-se ao processo de encaminhar pacotes de dados de um dispositivo de origem para um dispositivo de destino através de uma rede. Envolve a escolha do caminho mais eficiente e adequado entre os diversos dispositivos interconectados na rede, assim como cada agência dos correios sabe como chegar a outras agências. Eles decidem para onde encaminhar cada envelope com base no endereço do destinatário. O dispositivo de origem envia o pacote para o roteador mais próximo. O roteador consulta sua tabela de roteamento para determinar para onde encaminhar o pacote. Com base nas informações da tabela de roteamento, o roteador decide qual é o próximo dispositivo (roteador) ao longo do caminho até o destino. Essa escolha é feita com base no endereço IP de destino e nas informações de roteamento. O roteador encaminha o pacote para o próximo dispositivo ao longo do caminho. Esse processo se repete em cada roteador ao longo do percurso até o pacote atingir seu destino final. Os roteadores utilizam métricas (como distância, largura de banda, atraso) para determinar a melhor rota para um pacote, escolhendo caminhos eficientes com base nas condições da rede.
         • - Passo 5: Entrega ao Destinatário
           • Finalmente, os envelopes chegam à agência dos correios mais próxima do seu amigo, que os encaminha até a casa dele. Já os roteadores garantem que pacotes cheguem ao destino final.
         • Passo 6: Montagem de Pacotes
           • Dispositivos no destino fazem algo semelhante, montando os pacotes para obter os dados originais.
       • IP: Características
         • Não confiável
           • por que dizemos que o IP é um protocolo de melhor esforço (best-effort)? Porque – por mais que ele se esforce –, ele não é capaz de garantir que a entrega será realizada.
         • Sem Conexão
           • O IP é considerado um protocolo "sem conexão" porque não estabelece uma conexão prévia antes de enviar dados. Em vez disso, cada pacote de dados contém dados suficientes para serem tratados independentemente e roteados separadamente pelos dispositivos de rede. Dessa forma, eles podem seguir caminhos diferentes pela rede e chegar ao destino em ordens diferentes daquela em que foram enviados.
       • IP: Classificação
         • IP Estático
           • Também chamado de IP Fixo, são atribuídos manualmente aos dispositivos e permanecem constantes, não mudando automaticamente. A sua configuração geralmente é feita manualmente pelo administrador da rede. Isso pode ser feito no dispositivo em si ou por meio de configurações no servidor DHCP (veremos mais à frente). Sua utilização é mais comum quando um dispositivo precisa ter sempre o mesmo endereço (Ex: servidores, impressoras e roteadores). As principais vantagens desse tipo de Endereço IP é a facilidade da administração, dado que os endereços são previsíveis e conhecidos. Além disso, conforme já vimos, pode ser útil para dispositivos que precisam ser sempre acessíveis com o mesmo endereço.
         • IP Dinâmico
           • São atribuídos automaticamente por um servidor DHCP na rede sempre quando um dispositivo se conecta. Os dispositivos obtêm um endereço temporário que precisa ser renovado periodicamente e o servidor DHCP gerencia esse processo de renovação. Os endereços IP dinâmicos são alocados conforme necessário, evitando a necessidade de atribuir manualmente endereços e permitindo um uso mais eficiente do espaço de endereço. Em suma, os dispositivos podem receber endereços IP diferentes em cada conexão, dependendo do pool de endereços disponíveis no servidor DHCP. Ele facilita a gestão em redes grandes, pois não é necessário atribuir manualmente endereços a cada dispositivo.
       • IP: Versionamento
         • IPv4 (Versão 4)
           • Esse protocolo utiliza endereços de 32 bits, que podem ser representados por meio de duas notações: Notação de Octetos Binários ou Notação Decimal Pontuada. Ambas as notações são comumente utilizadas, mas a Notação Decimal Pontuada é mais intuitiva para os humanos, facilitando a leitura e compreensão dos endereços IP.
             • Na notação de octetos binários, os 32 bits são representados por meio de quatro conjuntos de oito bits, sendo que esse conjunto de 8 bits (ou 1 byte) é chamado de octeto
             • Ocorre que utilizar endereço em bits pode acabar incorrendo em erros. Como só temos os dígitos 0 e 1, se você tem miopia, pode acabar errando. Por conta disso, alguém teve a brilhante ideia de converter esses números do sistema binário para o sistema decimal. Dessa forma, cada octeto em binário pode ir de 0 a 255 em decimal (você nunca vai encontrar um número que esteja fora dessa extensão).
             • é importante entender que esses endereços que vimos anteriormente no IPv4 não são aleatórios: existem diversas regras que devem ser obedecidas para cada endereço. Uma delas é o Endereçamento por Classes. As classes permitiam identificar o tamanho aproximado da rede com base no endereço IP.
               • O endereçamento por classes busca dividir esse espaço de endereços possíveis em cinco classes: Classe A, Classe B, Classe C, Classe D e Classe E. Logo, todo e qualquer IP pode ser classificado em uma dessas cinco classes. E como eu faço para descobrir à qual classe um endereço pertence, professor? É extremamente simples: basta analisar o primeiro número (na notação decimal pontuada) conforme é apresentado na tabela seguinte:
                 • Endereços de Classe D e Classe E não podem ser utilizados na internet.
               • Todo Endereço IP que estivesse dentro dessa faixa que eles convencionaram não poderiam ser utilizados na internet – eles só poderiam ser utilizados em redes internas.
                 • Network Address Translation (NAT)
                   • Trata-se de um recurso utilizado em roteadores e dispositivos de rede para traduzir endereços de uma rede para outra. Essa tecnologia desempenha um papel crucial em permitir que dispositivos de uma rede privada se comuniquem com a internet. Ela permite a um usuário ter internamente em sua rede doméstica uma grande quantidade de endereços privados e, externamente, possuir apenas um endereço público. Dessa forma, qualquer rede doméstica pode utilizar um endereço da faixa de endereços privados sem a necessidade de pedir permissão para provedores de internet. 
                   • A tabela de tradução apresenta duas colunas: o endereço privado e o endereço público. Quando um pacote de dados sai da rede interna para a rede pública (internet), o roteador armazena na tabela tanto o endereço de origem (privado) quanto o endereço de destino (público). Quando a máquina de destino envia uma resposta para a máquina da rede interna, o roteador consulta a tabela e descobre o endereço privado que deve receber os dados.
         • IPv6 (Versão 6):
           • No IPv4, decidiu-se utilizar uma representação decimal de 32 bits para facilitar a configuração! Ainda que fizéssemos isso com o IPv6, teríamos uma quantidade imensa de números. Dessa forma, optou-se por utilizar uma representação com hexadecimal, que necessita de todos os números e mais algumas letras: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F. Dividem-se 128 Bits em 8 grupos de 16 Bits (seção de 4 hexadecimais), separados por dois-pontos.
           • O IPv6 não possui o conceito de classes e nem endereço de broadcast. Além disso, como o endereço ainda fica grande com o hexadecimal, há algumas formas de abreviar: zeros não significativos de uma seção (quatro dígitos entre dois-pontos) podem ser omitidos, sendo que apenas os zeros não significativos podem ser omitidos e, não, os zeros significativos.
           • Usando-se essa forma de abreviação, 0074 pode ser escrito como 74, 000F como F e 0000 como 0. Observe que se tivéssemos o número 3210, por exemplo, não poderia ser abreviado. Outras formas de abreviações são possíveis se existirem seções consecutivas formadas somente por zeros. Podemos eliminar todos os zeros e substituí-los por um dois-pontos duplo. Note que esse tipo de abreviação é permitido apenas uma vez por endereço (Ex: não pode 2001:C00::5400::9)
           • Se existirem duas ocorrências de seções de zeros, apenas uma delas pode ser abreviada. A reexpansão do endereço abreviado é muito simples: devemos alinhar as partes não abreviadas e inserir zeros para obter o endereço original expandido. É interessante notar também que o IPv6 permite também o endereçamento local, isto é, endereços usados em redes privadas. Por fim, o IPv6 não pode se comunicar diretamente com o IPv4, mas existem diversas estratégias indiretas.

4. ICMP (Internet Control Message Protocol)

   • Protocolo da camada de rede responsável por enviar mensagens de erro e mensagens operacionais indicando, por exemplo, que um serviço não está disponível ou que um roteador ou host não pode ser alcançado. Ele Inclui tipos de mensagens como “destino inalcançável”, ”redirecionamento”,”tempo excedido”, entre outros. Esse protocolo é amplamente utilizado para diagnóstico de rede e geração de erros, funcionando intimamente com o protocolo IP, para relatar erros e outras informações relevantes.

5. ARP (Address Resolution Protocol)

   • Protocolo da camada de rede utilizado para mapear Endereços IP para Endereços MAC em redes locais, sendo fundamental para o funcionamento de redes IPv4. Ele é responsável por enviar uma requisição na rede local para descobrir o Endereço MAC correspondente a um Endereço IP específico. Os dispositivos na rede respondem com seus endereços MAC se o endereço IP solicitado corresponder ao seu.
   • Esse protocolo mantém uma tabela de mapeamento entre endereços IP (Camada de Rede) e endereços MAC (Camada de Enlace).

6. Protocolos da Camada de Transporte

   • TCP (Transmission Control Protocol)
     • Protocolo da camada de transporte, considerado confiável e orientado à conexão. Ele utiliza portas para estabelecer conexões, utiliza controle de fluxo para evitar congestionamento na rede, permite a transferência de dados bidirecional e confirma o recebimento de pacotes, retransmitindo os que não são confirmados. Além disso, ele garante que os pacotes cheguem na ordem correta e utiliza a soma de verificação para detectar erros nos dados recebidos. O TCP é amplamente utilizado em aplicações que requerem entrega garantida de dados, como navegadores web e e-mail.
     • TCP: Funcionamento
       • O Protocolo de Controle de Transmissão (TCP) é um protocolo confiável, pois garante que os dados serão entregues íntegros e em ordem. O TCP vai dentro do IP controlando e monitorando tudo
     • TCP: Características
       • a) Orientado a Conexões O TCP comunica o destinatário que enviará pacotes antes de enviá-los de fato
         • De maneira mais técnica, pode-se afirmar que – quando um ponto A quer enviar e receber dados a um ponto B – os dois estabelecem uma conexão virtual entre eles, depois os dados são efetivamente trocados em ambos os sentidos e a conexão é encerrada.
         • O TCP transmite dados no modo full-duplex, logo dois processos estão aptos a transmitir segmentos entre si de forma simultânea. Isso implica que cada parte deve inicializar a comunicação e obter a aprovação da outra parte antes que quaisquer dados possam ser transferidos. No TCP, uma transmissão orientada a conexão requer três fases: estabelecimento da conexão, transferência de dados e encerramento da conexão. Esse processo é chamado de Three-Way Handshake.
           • Para estabelecer a conexão entre uma máquina A e uma máquina B, a máquina A envia um segmento de controle chamado SYN (que é como se fosse um “Alô”); a máquina B envia de volta outro segmento de controle chamado SYN/ACK (que é como se fosse um “Alô” de resposta); então a máquina A envia outro segmento de controle chamado ACK. Pronto... conexão estabelecida! 
       • b) Conexão Fim-a-Fim
         • O TCP é capaz de criar uma conexão entre dois processos em uma máquina – fim-a-fim – ignorando quaisquer nós intermediários que existam entre emissor e destinatário da informação e focando-se apenas nos processos finais. O IP é um protocolo host-a-host, já o TCP é um protocolo fim-a-fim.
       • c) Controle de Fluxo O controle de fluxo previne o receptor de ficar sobrecarregado por meio de um mecanismo chamado Janela Deslizante.
       • d) Controle de CongestionamentoO controle de congestionamento previne que a rede fique sobrecarregada.
     • TCP: Portas
       • Se chegam dados a uma máquina, ela não consegue saber quem é o remetente sem saber o número da porta. Por meio do número da porta, ela consegue entregar os segmentos de dados diretamente ao destinatário correto. Na camada de enlace de dados, nós utilizamos o Endereço MAC; na camada de rede, nós utilizamos o Endereço IP; já na camada de transporte, nós utilizamos o Número da Porta para entregar dados para um entre vários processos que estejam em execução no destino
       • o número da porta de destino é necessário para entrega e o número da porta de origem é necessário para resposta.
   • UDP (User Datagram Protocol)
     • Protocolo da camada de transporte, considerado sem conexão e utiliza portas para comunicação de forma similar ao TCP. Ele não possui controle de fluxo e permite a transferência de dados rápida, mas sem garantias de entrega, ordem ou integridade. Esse protocolo é considerado não confiável porque não é capaz de confirmar o recebimento de pacotes e não retransmite os pacotes perdidos. Ele também não reordena pacotes e realiza apenas verificações básicas de erros nos dados recebidos (mas não os corrige). Por fim, ele não requer estabelecimento de conexão antes da transferência de dados, sendo ideal para aplicações que requerem transmissão rápida, como streaming de vídeo e jogos online.
     • Se um processo quiser enviar uma pequena mensagem e não se preocupar muito com a confiabilidade, o UDP é uma boa escolha. Ele exige menor interação entre o emissor e o receptor do que quando utilizamos o TCP.
     • . Como ele não precisa de uma conexão confiável, ele pode trabalhar com serviços ponto-a-ponto ou ponto-multiponto, além de trabalhar em unicast, multicast e broadcast – e também em full-duplex. Logo, ele pode transferir dados de um remetente para um, alguns ou todos os destinatários.

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