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UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 1 SUMÁRIO 2UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS Objetivos: • Apresentar aos alunos os principais conceitos sobre a camada de Rede e suas principais funções. • Capacitar o aluno, ao final desta aula, a relacionar e aplicar os conceitos discutidos nela nas atividades do seu cotidiano. AULA 4 UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 2 CONTEXTUALIZANDO A APRENDIZAGEM Na última aula, vimos os principais conceitos sobre as Camadas Físicas e de Enlace. Na comunicação entre rede de computadores são necessários alguns requisitos para que haja conectividade entre seus componentes, assim como selecionar qual será o caminho que os dados devem percorrer entre o transmissor e o receptor. Desse modo, nesta Aula iremos abordar os principais conceitos sobre a camada de Rede, assim como seus serviços e características. AULA 4 - CAMADA DE REDE UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 3 Para contextualizar e ajudá-lo(a) a obter uma visão panorâmica dos conteúdos que você estudará na Aula 4, bem como entender a inter-relação entre ele, é importante que se atente para o Mapa Mental, apresentado a seguir: MAPA MENTAL PANORÂMICO COMUTAÇÃO DE PACOTES STORE-AND- FORWARD FUNÇÕES ROTEAMENTO DE ESTADO DE ENLACE - LS (LINK-STATE) ALGORITMO DE DIJKSTRA CONHECENDO VIZINHOS MENOR CUSTO DE LINHA MODELO DE SERVIÇO DE REDE IMPLEMENTAÇÃO DO SERVIÇO SEM CONEXÕES IMPLEMENTAÇÃO DO SERVIÇO ORIENTADO A CONEXÕES COMPARAÇÃO ENTRE SUB-REDES DE CIRCUITOS VIRTUAIS E DE DATAGRAMAS CAMADA DE REDE CAMADA DE REDE ROTEAMENTO INTRODUÇÃO QUESTÕES DE PROJETO DA CAMADA DE REDE FUNÇÕES E SERVIÇOS DA CAMADA DE REDE ALGORITMO DE ROTEAMENTO ROTEAMENTO DE VETOR DE DISTÂNCIA (DISTANCE VECTOR - DV) UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 4 RIP (PROTOCOLO DE INFORMAÇÃO DE ROTEAMENTO) OSPF (OPEN SHORTEST PATH FIRST) EIGRP (ENHACED INTERNAL GATEWAY ROUTING PROTOCOL) PROTOCOLO IP (INTERNET PROTOCOL) COMPARAÇÃO DOS ALGORITMOS LS (LINK STATE) E DV (DISTANCE VECTOR) ROTEAMENTO DE SISTEMAS AUTÔNOMOS CLASSES SUB-REDES UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 5 1. CAMADA DE REDE 1.1 INTRODUÇÃO Embora a camada enlace de dados coordene a entrega do quadro de dados, a camada de rede é responsável pela entrega desde a sua origem até seu destino. A transferência de pacotes da origem ao seu destino está diretamente ligada aos serviços prestados pela camada de rede. Chegar ao destino pode exigir vários hops, ou seja, dar vários saltos por vários pontos da rede ao longo do percurso. Essa função difere claramente da função da camada de enlace cujo objetivo é bem mais simples, mover quadros de uma extremidade de um meio físico a outra. Consequentemente, a camada de rede é a camada mais baixa que trabalha com a transmissão fim a fim (TANENBAUM; WETREHALL, 2011). Os protocolos de rede, também conhecido como protocolos IP, surgiram para suprir a necessidade de conectar dispositivos de fabricantes distintos. Além de permitir a comunicação entre computadores, dispositivos conectados na internet, os protocolos de rede fazem com que a rede mundial de computadores, a Internet, pareça um sistema de comunicação unificado para o usuário. O que na verdade é um conjunto de sub-redes e sistemas conectados entre si, através de diversos backbones, constituídos de linhas de grande largura de banda e roteadores potentes. Essa integração só é possível graças aos protocolos de rede. Por meio deles podemos ter acesso a diversos serviços oferecido através da Internet. Os protocolos de rede tornaram nossas vidas mais prática, possibilitando uma nova forma de comunicação, trazendo mobilidade e praticidade ao nosso cotidiano. Já pensou em fazer um curso a distância, assistir um filme novo sem sair de casa ou compartilhar dados, relatórios ou até mesmo efetuar uma transação financeira muito importante? Tudo isso e muito mais é possível, além de inúmeras outras possibilidades, porque os protocolos de rede existem. CONECTANDO Em redes de computadores, uma parte do caminho entre a origem e o destino. Os hops são os "saltos" dados por um sinal, entre um nó da origem até seu destino. HOPS GLOSSÁRIO UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 6 Implementada nos sistemas finais e nos roteadores, a camada de rede integra toda a arquitetura da rede e para alcançar seus objetivos ela deve conhecer a topologia da sub- rede de comunicação, ou seja, o conjunto de todos os roteadores, para que com isso consiga determinar e escolher os caminhos mais apropriadas. Além de transportar os segmentos da estação da origem ao destino, a camada de rede encapsula segmentos dentro de um datagrama no lado da origem; e no lado do destinatário se encarrega de entregar os segmentos para a camada de transporte. Além do mais, a camada de rede também deve evitar a escolhas de rotas para não sobrecarregar algumas linhas de comunicação e roteadores enquanto outras ficam ociosas. Afinal, quando a origem e o destino, ou seja, emissor e receptor não estão na mesma rede, novos problemas surgem e cabe a camada de rede resolvê-los (TANENBAUM, 2003). Resumidamente, o papel da camada de rede é o redirecionamento dos pacotes. Essa função é similar a ação de digitar os números do telefone com o qual queremos conversar. Primeiro vem o DDD, no qual se refere a rota e em seguida o código regional que trata do destino do qual queremos conversar. A partir desse momento, será definido o direcionamento da conversa entre os diversos caminhos possíveis pelos troncos de telefonia (MENDES, 2015). Sabemos que problema podem surgir durante a transmissão, a seguir veremos como a camada de rede que lida com todas essas questões. 1.2 QUESTÕES DE PROJETO DA CAMADA DE REDE De acordo com Tanenbaum (2003), existem conceitos, informações e questões referentes à camada de rede que os projetistas devem se preocupar. Dentre eles estão os serviços oferecidos na camada de transporte e o projeto interno da sub-rede. FIQUE ATENTO!! Um roteador é elemento ativo da rede. Atua na camada de rede no modelo de referência do modelo OSI; é um elemento intermediário em uma rede de computadores e por meio dele é possível fazer o roteamento de pacotes entre redes separadas. O roteamento desses pacotes é realizado de acordo com um conjunto de regras que formam a tabela de roteamento. UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 7 1.1.2 COMUTAÇÃO DE PACOTES STORE-AND-FORWARD Para compreendermos melhor e aprofundarmos nos conceitos de camadas de rede, observe a Figura 1, que apresenta um contexto de como os protocolos e serviços da camada de rede operam. Esse sistema é composto por diversos componentes, como equipamentos de concessionárias de comunicações, sendo roteadores conectados por linhas de transmissão. Na elucidação exibida através da Figura 1, a camada de rede é representada pela parte sombreada envolta na forma de uma elipse, já os equipamentos dos clientes, são os que estão fora da elipse na Figura (TANENBAUM; WETREHALL, 2011). Figura 1: O ambiente dos protocolos da camada de rede Fonte: TANENBAUM; WETHERALL (2011). Na representação acima, o host H1 está diretamente conectado a um dos roteadores da concessionária de comunicações, denominado A, por uma linha dedicada. Já H2 está em uma LAN com um roteador F pertencente ao cliente. Esse roteador também tem uma linha dedicada para o equipamento da concessionária de comunicações. O F que está fora da elipse, não pertence à concessionária de comunicações; porém, em termos de construção, software e protocolos, é bem provável que ele não sejadiferente dos roteadores da concessionária de comunicações, sendo que na maioria dos casos, o mesmo configura o papel de roteador de saída do cliente, ou seja, a porta de entrada para a concessionária de comunicação (TANENBAUM, 2003; KUROSE; ROSS 2013). Quando um host deseja enviar um pacote, o mesmo transmite até ao roteador mais próximo, seja em sua própria LAN ou sobre um enlace ponto a ponto pertencente a concessionária de comunicações. Com isso, esse pacote é armazenado ali até que seja completamente recebido para que seja feita uma verificação total do pacote recebido. Em sequência, o mesmo é encaminhado para o próximo roteador ao longo do percurso até que o destino seja alcançado. Todo esse processo configura a comutação de pacotes store-and-forward (KUROSE, 2006). O surgimento da rede store-and-forward foi possível devido a evolução dos computadores e da tecnologia digital. Podemos afirmar, nesse contexto, que o surgimento dessas tecnologias contribuíram para inúmeras possibilidades, inclusive em telecomunicações, o que possibilitou UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 8 a construção de redes de comunicação de forma muito diferente. Esse novo tipo de rede de comunicação é chamado de store-and-forward ou rede de armazenamento e encaminhamento. 1.3 FUNÇÕES E SERVIÇOS DA CAMADA DE REDE A camada de rede presta serviços à camada de transporte, isso ocorre entre a interface, entre a camada de rede e a camada de transporte. No entanto, um ponto muito importante deve ser levando em conta, a identificação dos tipos de serviços que a camada de rede pode oferecer a camada de transporte. Os serviços prestados pela camada de rede foram projetados a fim de suprir os seguintes objetivos: • Os serviços devem ser independentes da tecnologia de roteadores. • A camada de transporte deve ser isolada do número, do tipo e da topologia dos roteadores presentes. • Os endereços de rede que se tornaram disponíveis para a camada de transporte devem usar um plano de numeração uniforme, mesmo nas LANs e WANs. Em função desses objetivos, os projetistas da camada de rede possuem a liberdade para escrever especificações detalhadas dos serviços a serem oferecidos à camada de transporte, para que sejam alcançados tais objetivos (TORRES, 2001; TANENBAUM; WETHERALL, 2011). 1.3.1 FUNÇÕES De acordo com Kurose e Ross (2013), o papel da camada de rede aparentemente é simples. Mas para desempenhá-lo é importante compreender duas funções importantes na camada de rede: comutação e roteamento. A comutação refere-se em conduzir o pacote da entrada de um roteador para a saída apropriada, já no roteamento, a camada de rede determina a rota que os pacotes devem seguir da fonte até o destino. Para determinar o caminho ou rota a ser seguida pelos pacotes são utilizados Algoritmos de roteamento. Os algoritmos são responsáveis por escolher as rotas e as estruturas de dados que eles utilizam e constituem um dos elementos mais importantes do projeto da camada de rede. Um algoritmo de roteamento é a parte do software da camada de rede responsável pela decisão sobre a linha de saída a ser utilizada na transmissão do pacote de entrada. Se a sub-rede fazer uso de datagramas, a decisão deverá ser tomada mais uma vez para cada pacote de dados que é recebido, pois a rota mais indicada pode ter sido alterada desde o último pacote (TANENBAUM; WETHERALL, 2011). De modo geral, o roteamento é o processo de planejar a viagem da origem ao destino e a comutação é processo de passar por um único intercâmbio. UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 9 1.3.2 MODELO DE SERVIÇO DE REDE Qual é o modelo de serviços para o “canal” que transporta pacotes da origem ao destino? Para responder a esse questionamento algumas questões devem ser levadas em consideração, como: • Largura de banda garantida? • Preservação de temporização entre pacotes (sem jitter)? • Entrega sem perdas? • Entrega ordenada? • Realimentar informação sobre congestionamento ao remetente? • Se o mesmo será baseado ou não em conexão. Para o facilitar o entendimento, no próximo tópico veremos detalhadamente alguns fatores que nos ajudarão a ter uma melhor compreensão sobre o modelo de serviços da camada de rede (TANENBAUM, 2003; KUROSE, 2006). 1.3.3 IMPLEMENTAÇÃO DO SERVIÇO SEM CONEXÕES Basicamente a camada de rede pode oferecer dois tipos de serviços: o serviço sem conexões, onde os pacotes são transmitidos de forma individual e roteados de forma independente um do outro; ou através do serviço orientado a conexão, onde previamente deve ser estabelecido um caminho desde o roteador de origem até o roteador de destino (TANENBAUM, 2003; KUROSE, 2006). No serviço sem conexão, os pacotes são chamados de datagramas, em uma analogia aos telegramas e a sub-rede será denominada de sub-rede de datagramas. Entretanto, se o serviço for orientado a conexão, o mesmo recebe o nome de circuito virtual, em analogia aos circuitos físicos estabelecidos pelo sistema de telefonia e a sub-rede passa a se chamar de circuito virtual. Observe a Figura 2, vejamos um exemplo de roteamento em uma sub-rede de datagramas. Considere que o processo P1, da Figura 2, deseja encaminhar uma longa mensagem para P2. Ele entrega a mensagem à camada de transporte, com instruções para que ela seja entregue a P2 do host H2. Em geral o código da camada de transporte funciona em H1 dentro do sistema operacional. Esse código acrescenta um cabeçalho de transporte ao início da mensagem e entrega o resultado à camada de rede, que talvez seja simplesmente outro procedimento no sistema operacional (TANENBAUM, 2003; KUROSE, 2006). Variação estatística do atraso na entrega de dados em uma rede. LITTER GLOSSÁRIO UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 10 Figura 2: Roteamento em uma sub-rede de datagramas Fonte: TANENBAUM (2003). Dando sequência, imagine-se que a mensagem que o P1 deseja enviar para o host H2, seja quatro vezes maior que o tamanho máximo de um pacote e, portanto, a camada de rede tem que dividir essa longa mensagem em quatro pacotes (1, 2, 3 e 4), para que possam ser encaminhados ao roteador A, por meio de algum protocolo. A partir desse ponto, a concessionária de comunicações passa a tomar conta do processo. Todo roteador possui uma tabela interna, chamada de tabela de roteamento, que informa para onde devem ser enviados os pacotes e quais serão os destinos possíveis (TANENBAUM, 2003; KUROSE, 2006). Cada entrada da tabela é um par composto por um destino e por uma linha que conduz até esse destino. Somente podem ser utilizadas linhas conectadas diretamente nessa entrada. Exemplificando, na Figura 2, A possui apenas duas linhas de saída, para D e C, sendo assim todo pacote recebido deve ser enviado a um desses roteadores mesmo que o destino final seja outro roteador (TANENBAUM, 2003; KUROSE, 2006). A tabela de roteamento inicial de A é ilustrada na Figura 2. Assim, conforme os pacotes chegam ao roteador A, os pacotes 1, 2 e 3 ficam armazenados por um determinado tempo para que possam ser conferidos e verificados. Em sequência, cada um deles são encaminhados para o roteador C, de acordo com a tabela de roteamento, “Initially”, de A (TANENBAUM, 2003; KUROSE, 2006). Dessa forma, o pacote 1 foi então encaminhado para o roteador E e, em seguida, para o roteador F. Quando chegar em F, o mesmo é encapsulado em um quadro da camada de enlace de dados e transmitido para o H2 pela LAN. O mesmo acontece com os pacotes 2 e 3 (TANENBAUM, 2003; KUROSE, 2006). Contudo, o pacote 4 não passou pelo mesmo processo. Quando chegou ao roteador A, o mesmo foi encaminhado para o roteador B, embora seu destino também fosse o roteador F. O roteador A decidiu enviar o pacote 4 por uma outra rota, pois talvez ele tenha tomado conhecimento de algum problema na rota até então utilizada pelospacotes 1, 2 e 3. Portanto, pode-se observar que a tabela de roteamento de A passa por uma atualização, “later”, UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 11 conforme mostra a Figura 2. O algoritmo que gerencia as tabelas e realiza as atualizações é chamado de algoritmo de roteamento. Após a atualização da tabela, o pacote 4 é encaminhado conforme a nova tabela de roteamento de A (TANENBAUM, 2003; KUROSE, 2006). 1.3.4 IMPLEMENTAÇÃO DO SERVIÇO ORIENTADO A CONEXÕES Quando se trata do serviço orientado a conexões, existe a necessidade de uma sub-rede de circuitos virtuais. O conceito base para os circuitos virtuais é evitar a necessidade de escolha de uma nova rota para cada pacote enviado. Diante disso, quando uma conexão for estabelecida, escolhe-se uma rota desde a máquina de origem até a máquina de destino como parte da configuração da conexão, sendo essa rota armazenada em cada uma das tabelas de roteamento dos roteadores (TANENBAUM, 2003; KUROSE, 2006). A rota definida é utilizada por todo o tráfego e quando a mesma é finalizada, o circuito virtual também é encerrado. Com o serviço orientado a conexões, cada pacote transporta um identificador, informando a que circuito virtual ele pertence, conforme demonstra a Figura 3. Nessa imagem o host H1 estabelece a conexão 1 com o host H2. Essa conexão é memorizada como a primeira entrada de cada uma das tabelas de roteamento (TANENBAUM, 2003; KUROSE, 2006). Figura 3: Roteamento em uma sub-rede de circuitos virtuais Fonte: TANENBAUM (2003). De acordo com a Figura 3, a primeira linha da tabela do roteador A informa que se um pacote possui o identificador de conexão 1 e vier do host H1, o mesmo será enviado ao roteador C. Da mesma forma, a primeira linha de entrada do roteador C faz o roteamento do pacote para o roteador E com o mesmo identificador de conexão 1. Dessa forma, o processo de comunicação acontece até que todos os pacotes sejam entregues ao seu destino (TANENBAUM, 2003; KUROSE, 2006). UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 12 1.3.5 COMPARAÇÃO ENTRE SUB-REDES DE CIRCUITOS VIRTUAIS E DE DATAGRAMAS A Tabela 1 mostra um comparativo entre os dois tipos de serviços, os orientados a conexões e não orientado, assim com os circuitos virtuais e redes de datagramas. Tabela 1: Comparação entre sub-redes de circuitos virtuais e de datagramas Questão Rede Datagramas Rede Circuitos Virtuais Configuração de circuitos. Desnecessária. Obrigatória. Endereçamento. Cada pacote contém os endereços de origem e de destino completos. Cada pacote contém um número de circuito virtual curto. Informações sobre o estado. Os roteadores não armazenam informações sobre o estado das conexões. Cada circuito virtual requer espaço em tabelas de roteadores por conexão. Roteamento. Cada pacote é roteado independentemente. A rota é escolhida quando o circuito virtual é estabelecido; todos os pacotes seguem essa rota. Efeito de falhas no roteador. Nenhum, com exceção dos pacotes perdidos durante a falha. Todos os circuitos virtuais que tiverem passado pelo roteador que apresentou o defeito serão encerrados. Qualidade de serviço. Difícil. Fácil, se for possível alocar recursos suficientes com antecedência para cada circuito virtual. Controle de congestionamento. Difícil. Fácil, se for possível alocar recursos suficientes com antecedência para cada circuito virtual. Fonte: Adaptado de TANENBAUM (2003), Kurose (2006) e Torres (2006). Um fato importante é que o tipo de serviço utilizado pela a rede mundial de computadores, a Internet, é baseado em sub-redes de datagramas, ou seja, não é orientado a conexões. UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 13 2. ROTEAMENTO 2.1 ALGORITMOS DE ROTEAMENTO Quando falamos em optar por um bom caminho para determinado destino, pode ser considerado o caminho que possui o menor custo. No entanto, vários fatores podem influenciar nessa decisão. Os algoritmos de roteamento levam esses fatores em questão para rotear os pacotes de sua origem até o seu destino. A principal função da camada de rede é definir rotas, ou seja, rotear pacotes dos hosts de origem para os hosts de destino. Portanto, os algoritmos de roteamento são responsáveis pela parte lógica, software, da camada de rede. Além do mais, os algoritmos de roteamento são responsáveis pela decisão sobre qual linha de saída deve ser utilizada na transmissão de um pacote de entrada. De acordo com Tanenbaum e Wetherall (2011), se a sub-rede utilizar datagramas internamente, essa decisão deverá ser tomada mais uma vez para cada pacote de dados recebido, pois a melhor rota pode ter sido alterada desde a última vez. Se a sub-rede trabalhar com circuitos virtuais, as decisões de roteamento são tomadas somente após a criação de um novo circuito virtual. 2.1.1 ROTEAMENTO DE ESTADO DE ENLACE - LS (LINK-STATE) O algoritmo de estado de enlace é capaz de conhecer toda a topologia da rede, bem como todos os custos dos enlaces que a mesma possui. Isso se torna possível devido a transmissão de pacotes por cada um dos nós para todos os outros, assim sendo o custo de cada link fica conhecido por todos os demais links (KUROSE, 2006). O resultado da transmissão broadcasting dos nós é que todos os nós têm uma visão idêntica e completa da rede (KUROSE; ROSS, 2009). A base do roteamento por estado de enlace é simples e pode ser estabelecida por cinco passos. Conforme Tanenbaum e Wetherall (2011), cada um dos roteadores do enlace, deve fazer o seguinte: • Descobrir seus vizinhos e aprender seus endereços de rede. • Medir o roteador ou custo até cada um de seus vizinhos. • Criar um pacote que informe tudo o que ele acabou de aprender. • Enviar esse pacote a todos os outros roteadores. • Calcular o caminho mais curto até cada um dos outros roteadores. • O algoritmo de roteamento de estado de enlace também é conhecido como algoritmo de Dijkstra. UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 14 2.1.1.1 ALGORITMO DE DIJKSTRA O algoritmo Dijkstra pode ser executado no local, com a finalidade de criar o caminho mais curto até todos os destinos possíveis. Os resultados obtidos pela execução desse algoritmo podem ser instalados nas tabelas de roteamento e a operação normal pode ser retomada, ou seja, a transmissão de pacotes continua normalmente. Em uma sub-rede com N roteadores, cada qual com K vizinhos, a memória necessária para armazenar os dados de entrada é proporcional a KN. Se a rede for de grande porte, isso torna-se um problema, pois a relação KN ficará muito grande. Além disso, o tempo de cálculo também pode ser de grande importância. Contudo, em muitas ações práticas, o roteamento por estado de enlace possui um funcionamento satisfatório (TANEMBAUM, 2003). É um algoritmo simples e com um bom desempenho, a restrição é que ele não garante a solução exata na ocorrência de custos com valores negativos. Escolhido um vértice como raiz da busca, o algoritmo calcula o custo mínimo desse vértice para todos os demais vértices do grafo. Ainda de acordo com Comer (2016), o algoritmo de Dijkstra é popular porque pode ser usado com várias definições de caminhos "mais curto". Em particular, o algoritmo não necessita de valores nas arestas do grafo para representar a distância geográfica. Em vez disso, permite que cada aresta receba um valor negativo chamado peso e define a distância entre dois nós como a soma dos pesos ao longo de um percurso entre os nós. O holandês Edsger Wybe Dijkstra foi um cientista da computação, ficou conhecido por suas contribuições nas áreas de desenvolvimento de Algoritmos e Programas, onde recebeu vários prêmios por suas contribuições em sistemas operacionais e processamento distribuído, entre eles o Prêmio Turing de 1972. Para saber mais sobre Edsger Wybe Dijkstra,clique aqui. saiba mais! Estrutura que equivale a um conjunto de objetos em que alguns pares deles são, de algum modo, relacionados. GRAFO GLOSSÁRIO Para saber mais sobre o Algoritmo de Dijkstra, recomendo a leitura da seção 4.5 do livro de Kurose e Ross (2015). saiba mais! http://www.dsc.ufcg.edu.br/~pet/jornal/fevereiro2012/materias/historia_da_computacao.html UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 15 2.1.1.2 CONHECENDO VIZINHOS Toda vez que um roteador é iniciado, depois da verificação inicial do equipamento, sua próxima ação é conhecer e aprender quem são seus vizinhos. Esse processo se inicia com o envio de um pacote HELLO especial em cada linha na qual ele está interligado. Assim sendo, o roteador na outra extremidade da linha envia um pacote de volta como resposta se identificando (TANEMBAUM, 2003). 2.1.1.3 MENOR CUSTO DE LINHA Para que todo o processo de escolha da melhor rota funcione, é necessário que cada roteador conheça o custo para alcançar cada um dos seus vizinhos. Para isso, um pacote especial ECHO é transmitido para todos os seus vizinhos, sendo que desse modo pode-se medir o tempo de ida e volta, e dividi-los por dois. Assim, cada roteador pode fazer uma estimativa razoável de custo até seu vizinho (TANEMBAUM, 2003). Um questionamento importante é se a carga deve ser levada em consideração na medição do retardo. Existem argumentos a favor de se considerar a carga ou não para o cálculo do retardo. A utilização da carga, quando um roteador tiver que escolher entre duas linhas com a mesma largura de banda, será a rota sobre a linha não carregada, ou seja, aquela com o caminho mais curto. Com isso, será alcançado um desempenho superior (TANEMBAUM, 2003). Porém, há um argumento que vai contra a inclusão da carga no cálculo do retardo. A Figura 4 traz o diagrama de duas redes, separadas por duas partes, Leste e Oeste, interconectados por duas linhas, CF e EI. Figura 4 - Diagrama duas sub-redes Fonte Adaptado de TANENBAUM (2003). Primeiramente supunha que a parte mais considerável do tráfego entre leste e oeste está usando as linhas CF. Assim, esse caminho sofrerá com retardos longos e estará carregado o link excessivamente. Incluindo o retardo no enfileiramento no cálculo da rota, tornará o caminho EI mais indicado. UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 16 Após a atualização das tabelas de rotas, a maior parte do tráfego Leste-Oeste será transmitida através de EI, sobrecarregando essa linha. Com isso, na próxima interação, CF parecerá mais curto. Isso pode ocasionar em uma oscilação nas tabelas de roteamento e, assim, potencializando problemas. Porém, a não utilização da carga como parâmetro pode fazer com que esse problema não ocorra. Há outras soluções para evitar tal problema, como distribuir a carga por várias linhas de saída, usando alguma fração de carga conhecida que está sendo utilizada na transmissão de cada linha (TANEMBAUM, 2003). 2.2 ROTEAMENTO DE VETOR DE DISTÂNCIA (DISTANCE VECTOR - DV) Em contrapartida o algoritmo LS (Link State), utiliza informação global, já o algoritmo de roteamento DV (Distance Vector), não trabalha com informação global. O mesmo possui outras características, como trabalhar de forma distribuída, ou seja, cada nó recebe alguma informação de um ou mais vizinhos diretamente ligado a ele. É um algoritmo iterativo, pois todo o processo continua até que mais nenhuma informação seja trocada entre vizinhos. Além do mais, é também um algoritmo assíncrono, pois não requer que todos os roteadores pertencentes ao enlace, sub-rede, rodem simultaneamente o algoritmo (KUROSE; ROSS, 2009). Os algoritmos de roteamento que trabalham com vetor de distância, funcionam de uma maneira que cada roteador, nó, mantenha uma tabela, um vetor que seja capaz de fornecer a melhor distância conhecida até seu destino, de forma a indicar qual a linha a ser utilizada para a transmissão. Assim, tais tabelas passam por atualizações através da troca de informações com seus vizinhos. Uma curiosidade, é que esse algoritmo é também conhecido como algoritmo de Bellman-Ford em homenagem aos seus pesquisadores, Richard Bellman, que desenvolveu o algoritmo, mais tarde Ford e Fulkenson o transformou em algoritmo distribuído, por isso Bellman-Ford. Cada uma das tabelas de cada roteador possui uma entrada que é composta duas partes. Uma das partes é a linha de saída a ser usada e uma estimativa do tempo, ou da distância até seu ponto final. Duas unidades métricas podem ser usadas: o número de hops ou o tempo em [ms] (TANEMBAUM, 2003). Para saber mais sobre o roteamento com vetor de distância, recomendo a leitura da seção 5.2.5 do livro de Kurose e Ross (2015) e 5.2.4 de Tanenbaum (2003). saiba mais! UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 17 2.3 COMPARAÇÃO DOS ALGORITMOS LS (LINK STATE) E DV (DISTANCE VECTOR) A seguir faremos um breve comparativo entre os dois algoritmos de roteamento, como demonstra a Tabela 2. Tabela 2 – Algoritmos de Roteamento Algoritmo Vetor de Distância (VD) Algoritmo Estado de Enlace (LS) Cálculo de roteamento. Cada nó fala somente com os vizinhos conectados a ele diretamente. Informa as estimativas de menor custo entre ele mesmo e todos os outros nós da rede, os nós que ele sabe que existem. Cada nó fala com todos os nós, via broadcast. Informa somente os custos dos enlaces diretamente ligados a ele. Complexidade. A trocas ocorrem somente entre vizinhos. O tempo de convergência varia. Com n nós e links, O (NE) mensagens enviadas. Tempo de convergência. Tempo de convergência varia. Pode haver loops de roteamento. Problema da contagem ao infinito. Algoritmo O(N2) exige mensagens O(NE). Pode ter oscilações. Robustez: o que acontece se um roteador funciona mal? O nó DV pode informar custo de caminho incorreto. A tabela de cada nó é usada por outros. A propagação de erros pela rede. Os nós podem informar custos de link incorretos. Cada nó calcula sua própria tabela de roteamento. Fonte Adaptada de TANENBAUM (2003); KUROSE (2013); Ross (2013). UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 18 2.4 ROTEAMENTO SISTEMAS AUTÔNOMOS Segundo Comer (2015), a Internet é dividida em sistemas autônomos que são, cada um, pertencentes a uma única autoridade administrativa e operados por ela. Um sistema autônomo é livre para escolher uma arquitetura de roteamento interna de protocolos. Dessa forma, na camada de rede, a Internet pode ser vista como um conjunto de sub-redes ou sistemas autônomos conectados entre si. Não existe uma estrutura real, mas diversos backbones principais, constituídos a partir de linhas de grande largura de banda e roteadores rápidos. Conectados aos backbones estão as redes regionais (nível médio), e conectadas a essas redes regionais estão as LANs de muitas universidades, empresas e provedores de serviços da Internet (TANENBAUM, 2003). A Figura 5 mostra um esquema dessa organização. Figura 5: Esquema de organização Semi-hierárquica Fonte: TANENBAUM (2003). Os algoritmos Estado de Enlace e Vetor de Distância, que são tipos de protocolos de roteamento, podem ser considerados basicamente como uma rede sendo uma coleção de roteadores interconectados onde todos trabalham com o mesmo algoritmo. Porém, na prática o cenário em produção é bem diferente. As empresas, as concessionárias de telecomunicação, desejam controlar seus roteadores como bem entendem. Diante disso, a ideia é a criação de sistemas denominados autônomos, dividindo a questão do roteamento em várias instâncias menores, ou seja, cada concessionária possui seu próprio sistema autônomo, SA. Os roteadores que fazem parte do mesmo SA, trabalham com o mesmo algoritmo. Esses algoritmos utilizados dentro de cada sistema autônomo são chamados de protocolos de roteamentosintra-sistema autônomos (RODRIGUES, 2008). Para obter contato externo, cada sistema autônomo necessita de pelo menos um roteador que esteja encarregado de realizar o roteamento de pacotes para fora, ou seja, conectar um Cálculo de complexidade - O se refere à complexidade, sendo que nesse caso, N é número de nós elevado a E, que equivale aos links. O GLOSSÁRIO UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 19 sistema autônomo a outro. Esses equipamentos são conhecidos como roteadores de borda, pois executam um algoritmo de roteamento externo, denominado protocolo de roteamento intersistemas autônomos. A Figura 6 ilustra vários sistemas autônomos conectados entre si. Nessa imagem os roteadores de borda estão representados em vermelho. Figura 6: Sistemas Autônomos Fonte Disponível em: Pag. 25 - Ascesso em 25 fev. 2019 Na sequência, vamos conhecer os principais protocolos mais utilizados no roteamento interno que são: RIP (Protocolo de Informação de Roteamento), OSPF (Open Shortest Path First) e EIGRP (Enhaced Internal Gateway Routing Protocol). 2.4.1 RIP (PROTOCOLO DE INFORMAÇÃO DE ROTEAMENTO) O RIP foi um dos primeiros protocolos de roteamento intra-AS. Sua origem vem da arquitetura XNS (Xerox Networks Systems). O RIP é um protocolo de vetor de distância e se baseia na transmissão física de rede para fazer trocas de roteamento rapidamente, o mesmo não foi originalmente desenhado para ser usado em grandes redes de longa distância (COMER, 2015). 2.4.2 OSPF (OPEN SHORTEST PATH FIRST) O protocolo OSPF foi concebido para satisfazer a demanda de um protocolo de roteamento para grandes organizações. O OSPF é um protocolo de roteamento intradomínio baseado no roteamento com estado dos enlaces (FOROUZAN, 2010). UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 20 2.4.3 EIGRP (ENHANCED INTERNAL GATEWAY ROUTING PROTOCOL) O EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol) é um protocolo avançado, utiliza a tecnologia de roteamento do vetor de distância, desenvolvido, primeiramente, como um protocolo proprietário da Cisco. O conceito é que cada roteador não precisa de conhecer todos os relacionamentos do roteador/link para toda a rede. Cada roteador anuncia destinos com uma distância correspondente. Cada roteador que ouve as informações ajusta a distância e a propaga para os roteadores vizinhos (CISCO, 2016). 3. PROTOCOLO IP (INTERNET PROTOCOL) O elemento que faz com que a Internet pareça um único sistema de comunicação integrada é o protocolo da camada de rede, IP (Internet Protocol). Contrariamente a maioria dos protocolos da camada de rede, principalmente os mais antigos, o protocolo IP foi projetado desde o início tendo como objetivo principal a interligação das redes. O protocolo IP oferece às camadas superiores do modelo OSI serviços como, por exemplo, interconexão, roteamento, endereçamento, fragmentação e encapsulamento. O protocolo IP é um dos protocolos base da arquitetura Internet juntamente com os protocolos TCP (Transmission Control Protocol) e UDP(User Datagram Protocol), os quais veremos com mais detalhes nas próximas aulas. Vários serviços como, por exemplo, navegação web, envio de e-mails, transferência de arquivos, entre outros, utilizam o protocolo IP como suporte para a execução e implementação dos mesmos. Segundo Forouzan (2010), o protocolo IP fornece serviços não confiáveis de entrega de datagrama sem o uso de conexões virtuais. Ele foi projetado dessa forma para utilizar os recursos da rede de modo mais eficiente. Além disso, existem três funções principais desempenhadas pelo protocolo IP: a fragmentação, o roteamento e o endereçamento lógico. A fragmentação se trata da divisão de uma determinada mensagem em porções menores. Cada parte do resultado dessa divisão recebe o nome de datagrama, que será transmitido como um frame pela camada de enlace. O roteamento, como já vimos nesta Aula, é a escolha do melhor caminho para que um datagrama consiga percorrer da sua origem até chegar ao Para conhecer o funcionamento do protocolos intra-AS, recomendo a leitura das seguintes seções: 14.3.2 de Comer (2016) e 26.12 de Comer (2015); 9.2.7 de Mendes (2015); 4.6.1 Kurose e Ross (2013). Também sugiro a leitura do artigo Introdução ao EIGRP, clicando aqui. saiba mais! https://www.cisco.com/c/pt_br/support/docs/ip/enhanced-interior-gateway-routing-protocol-eigrp/13669-1.pdf UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 21 seu destino. O endereçamento lógico, por sua vez, é responsável por fornecer a cada datagrama um endereço que determina sua origem e um outro endereço que determina seu destino. Existem duas versões do protocolo IP: a primeira delas é a versão IPv4 definida pela a RFC 791 e a outra, a versão IPv6 definida pelas RFC 2373 e RFC 2460. O endereço IPv4 contém 32 bits no campo de endereçamento, dividido em quarto grupo de 8 bits, que recebem o nome de octetos, ou seja, quatro números que vão de 0 a 255. Portanto, a versão IPv4 contém quatro bilhões de endereços, aproximadamente. Já a versão IPv6, por possuir 128 bits no campo de endereço, isso possibilita a inclusão na Internet de trilhões de dispositivos na Internet. O número 200.131.40.132 é um exemplo endereço de IPv4 válido. Existem duas formas de representar IPv4, através da notação binária e a notação decimal pontuada. Na notação binária o endereço IPv4 é exibido como 32 bits, onde cada octeto é geralmente conhecido como um byte, na qual são separados por espaço. A seguir, temos um exemplo de notação binária 10010101 00011100 00001001 00010100. Já a notação decimal pontuada, o endereço IPv4 são escritos na forma decimal, onde os bytes são separados por ponto. O número 200.131.40.132 é um exemplo de notação decimal. Um endereço IPv4 define de forma única e universal a conexão de um dispositivo à Internet, ou seja, cada endereço define somente uma conexão com a Internet. Dois dispositivos na Internet jamais podem ter o mesmo endereço ao mesmo tempo (FOROUZAN, 2010). 3.1 CLASSES Quando foi criado, o protocolo IPv4, foi classificado em 5 classes, sendo elas: A, B, C, D e E. Após essa classificação, cada classe recebeu uma máscara que também é composta por um número de 32 bits, obedecendo a tecnologia CIDR (Classless InterDomain Routing). Essa tecnologia determina que parte do endereço IP é correspondente a identificação da rede, Os RFC’s (Request for Comments), são documentos técnicos desenvolvidos e mantidos pelo IETF (Internet Engineering Task Force). A IETF é uma grande comunidade internacional aberta, constituída de vários profissionais da área da computação, preocupados com a evolução da arquitetura da Internet e com o bom funcionamento da mesma. Além disso, o órgão é o responsável por especificar os padrões que serão implementados e utilizados por sistemas de comunicação. Para saber mais sobre o RFC’s e acessar um repositório de documento sobre diversas RFCs, clique aqui. saiba mais! https://tools.ietf.org/rfc/index UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 22 denominado de NETID e na qual parte é responsável pela identificação de um host dentro daquela rede, chamado de HOSTID. Diferentemente do endereço IP que é formado por valores entre 0 e 255, a máscara é normalmente formada por apenas dois valores: 0 e 255 como, por exemplo, em 255.255.0.0 ou 255.0.0.0, onde o valor 255 indica a parte do endereço IP referente à rede, NETID, já o valor 0 indica a parte do endereço IP referente ao host, HOSTID. Assim, as classes determinam quantos bits de um endereço IP são usados para identificar a rede e quantos são usados para codificar a máquina. As classes são indicadas por: Classe A, Classe B, Classe C, Classe D e Classe E. A Figura 7 mostra a representação das classes de endereços IPv4 na notação binária e decimal. Figura 7: Classes de endereçosIPv4 Fonte: FOROUZAN (2010). Por várias décadas, os endereços IP foram divididos e classificadas em cinco categorias conforme listadas na Figura 8. Esse conceito foi denominado de endereçamento com classes. Embora não seja mais usada, ainda são comuns referências a essa alocação na literatura (TANENBAUM, 2003; FOROUZAN, 2010). Figura 8: Formatos de endereços IP Fonte: TANENBAUM (2003). Na versão IPv4, dentro de cada uma das classes, alguns endereços são reservados. Na classe A toda a rede 127.0.0.0 com máscara 255.0.0.0 é reservada para utilização em endereços locais UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 23 na mesma máquina. Já os endereços das redes 10.0.0.0 com máscara 255.0.0.0, 172.16.0.0 com máscara 255.255.0.0 e 192.168.0.0 com máscara 255.255.255.0 são reservados para a utilização em redes privadas. Assim, qualquer endereço pertencente a uma dessas faixas não podem ser utilizados na Internet. É importante dizer que ao contrário do MAC que é endereçamento físico, o endereço IP é configurado via software, além do mais pode ser alterado pelo usuário ou administrador da rede. 3.2 SUB-REDES Segundo Tanenbaum e Wetherall (2011), todos os hosts de uma rede devem ter o mesmo número de rede. Essa propriedade do endereçamento IP poderá causar problemas à medida que as redes crescem. A solução desse problema é a subdivisão da rede em rede menores, ou seja, dividir uma rede em diversas partes para uso interno, por outro lado, externamente continue funcionando como uma única rede. Na literatura sobre Internet, essa divisão ou as partes das redes são denominadas de sub-redes. A subdivisão de uma rede de grande porte em redes menores, além de resultar na redução do tráfego, torna a administração da rede mais simples e melhora a performance de rede. Para conhecer mais sobre o endereçamento IPv4 e as classes de endereços IPv4, recomendo a leitura da seção 5.6.2 de TANENBAUM (2003) e 8.1.1 de MENDES (2015). saiba mais! Após essa aula, você é capaz de definir os principais conceitos sobre a camada de rede e suas principais funções? Consegue relacionar e aplicar os conceitos nas práticas do cotidiano? Caso você consiga responder a essas questões, parabéns! Você atingiu os objetivos específicos da Aula 4! Caso tenha dificuldades para responder algumas delas, aproveite para reler o conteúdo da aula, acessar o UNIARAXÁ Virtual e interagir com seus colegas, tutor (a) e professor (a). Você não está sozinho nessa caminhada! Conte conosco! aUTOaVALIAÇÃO UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 24 RECAPITULANDO Nesta Aula conhecemos os principais conceitos sobre a camada rede, assim como os serviços e funções. Além do mais, conhecemos os protocolos de roteamento como, por exemplo, o IP que desempenha um papel importantíssimo na rede mundial de computadores, a Internet. VIDEOAULA Após a leitura e o estudo do seu livro-texto, chegou o momento de complementar seu conhecimento. Vá até seu Ambiente Virtual de Aprendizagem e acesse a Videoaula referente à Aula. UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 25 CRÉDITOS Figura 01 - O ambiente dos protocolos da camada de rede Fonte TANENBAUM; WETHERALL (2011) Figura 02 - Roteamento em uma sub-rede de datagramas Fonte TANENBAUM (2003) Figura 03 - Roteamento em uma sub-rede de circuitos virtuais Fonte TANENBAUM (2003) Figura 04 - Diagrama duas sub-redes Fonte Adaptado de TANENBAUM (2003) Figura 05 - Esquema de organização Semi-hierárquica Fonte TANENBAUM (2003) Figura 06 - Sistemas Autônomos Fonte Disponível em: <https://bit.ly/2Emg0qa>Acesso em 03 de dez. 2018. Figura 07 - Classes de endereços IPv4 Fonte FOROUZAN (2010) Figura 08 - Formatos de endereços IP Fonte TANENBAUM (2003) LISTA DE FIGURAS https://bit.ly/2Emg0qa UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 26 REFERÊNCIAS ALENCAR, M. A. S. Fundamentos de redes de computadores. Disponivel em: < http:// redeetec.mec.gov.br/images/stories/pdf/eixo_infor_comun/tec_man_sup/081112_ fund_redes_comp.pdf>. Acesso em: 17 de fev. 2019. BALTAZAN, P. Tecnologia Orientada para Gestão. Porto Alegre: AMGH Editora LTDA, 2016. BUNGART, J. W. Redes de computadores: fundamentos e protocolos. São Paulo: Senai SP, 2016. CARMONA, T; HEXSEL, R. A. Universidade redes: torne-se um especialista em redes de computador. São Paulo: Digerati Books, 2005. CISCO. Introdução ao EIGRP. Disponível em :<https://www.cisco.com/c/pt_br/support/ docs/ip/enhanced-interior-gateway-routing-protocol-eigrp/13669-1.pdf:. Acesso: 16 fev 2019. COMER, D. Interligação de redes com TCP/IP: princípios, protocolos e arquitetura. Rio de Janeiro: Elsevier, 2015. COULOURIS, G. et al. Sistemas Distribuídos: conceitos e projeto. Porto Alegre: Boockman, 2013. FILHO, E. C. L. Fundamentos de redes e cabeamento estruturado. São Paulo: Pearson, 2015. Força-Tarefa de Engenharia da Internet (IETF). 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RODRIGUES, R. M. C. Roteamento Hierárquico. 2008. Disponível em: http://www.inf. unioeste.br/~luiz/disciplinas/redes2007/Roteamento_hierarquico.pdf. Acesso 15 de fev. 2019. TANENBAUM, A. S. Redes de Computadores. Rio de Janeiro: Elsevier, 2003. TANENBAUM, Andrew S.; WETHERALL, David. Rede de Computadores. Pearson. São Paulo: Pearson, 2011. TORRES, Gabriel. Redes de computadores. Novaterra. Rio de Janeiro, 2012. TORRES, G. Redes de Computadores: curso completo. Rio de Janeiro: Axcel Books do Brasil Editora, 2001. http://www.inf.unioeste.br/~luiz/disciplinas/redes2007/Roteamento_hierarquico.pdf http://www.inf.unioeste.br/~luiz/disciplinas/redes2007/Roteamento_hierarquico.pdf UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS 282UNIARAXÁ - CENTRO UNIVERSITÁRIO DO PLANALTO DE ARAXÁ • TODOS OS DIREITOS RESERVADOS CONTATO: 3669.2008 • 3669.2017 • 3669.2028 ead@uniaraxa.edu.br