Slide 1 - 6° Periodo - Redes de computadores

Faculdade de Tecnologia SENAI de
Desenvolvimento Gerencial
Aula 2 – Interligação em
redes e Internet, Endereçamento IP e Roteamento
Prof. Vitor Luiz Ramos Barbosa ([email protected])
Dispositivos de conectividade
Domínio de colisão
• Grupo de dispositivos de rede (usuários) que
compartilham o acesso a mesma rede física
– um único dispositivo pode comunicar por vez
– Hub - um único domínio de colisão
– Switch - cada porta/interface consiste em um
domínio de colisão independente
Domínio de difusão
• Conjunto de dispositivos que “e scutam” os
mesmos pacotes enviados em difusão no
meio físico
• Por definição
– um switch comuta através de um único domínio
de Difusão
– um roteador encaminha através de múltiplos
domínios de difusão
Dispositivos de conectividade
• Hub/repetidor
– Opera na camada física
– Manipula bits individuais
– Único domínio de colisões
• Switch/ponte
–
–
–
–
Dispositivo de camada de enlace
Manipula quadros
Cada porta forma um domínio de colisões independente
Capacidade de encaminhar os quadros apenas para a
porta à qual está ligada a estação de destino
Tipos de switches
• Port switches (repetidores ou hubs)
– Não são verdadeiros switches
– Todas as portas compartilham o mesmo segmento e domínio
de colisão
– Consistem em múltiplos repetidores com comutação entre
eles
• LAN switches
– Operam na camada 2 do modelo OSI
– São pontes multiporta onde todas as portas são segmentos de
LANs independentes
• Layer-3 switches (ou multilayer switches)
– Incluem camadas 2 e um subconjunto da camada 3
Dispositivos de conectividade
Switches: VLAN
• Rede local virtual que interliga um grupo de
equipamentos logicamente, como se estes
estivessem em um mesmo segmento de rede
– Alternativamente, VLANs diferentes separam
equipamentos logicamente, como se estes
estivessem em segmentos de rede diferentes
• De forma geral, VLANs desvinculam as
conexões físicas através de conexões lógicas
Exemplo
Arquitetura da interligação em
redes
• Sistema final (host) – executa as aplicações
distribuídas
• Rede – infraestrutura que conecta os hosts
• Roteador – promove a interligação em redes
– Participa em pelo menos duas redes
– Passa pacotes de uma rede para outra
Arquitetura da interligação em
redes
• Roteadores
– Precisam conhecer a topologia da interligação em
redes
– Tipicamente, usam a rede de destino, não o host de
destino, para fazer o roteamento de pacotes, logo:
• Equipamentos mais simples
• Quantidade de informação aumenta com o número de
redes e não hosts
Internet: visão dos componentes
• Milhões de dispositivos de
computação conectados:
hospedeiros (hosts) = sistemas
finais
• Executando aplicações de rede
• Enlaces (links) de comunicação
• – Fibra, cobre, rádio, satélite
• Roteadores (comutadores de
pacotes): encaminham pacotes
de dados através da rede
• Provedores de serviço Internet
- ISP (Internet Service Providers)
Internet: a borda da rede
• Sistemas finais (hosts):
– Executam aplicações (web,
email, chat, etc.)
• Modelo cliente/servidor
– O cliente faz os pedidos e
são atendidos pelos
servidores
– Exemplo: cliente web
(navegador)/ servidor;
Cliente/servidor de e-mail
• Modelo peer-to-peer (p2p):
– Uso mínimo (ou nenhum) de
servidores dedicados
• Exemplo: Gnutella, Ares,
BitTorrent, eMule, etc.
Redes de Acesso
• Formas de conectar os
sistemas finais aos roteadores
de borda:
– redes de acesso residencial
– redes de acesso
corporativo
– redes de acesso sem fio
• Questões a serem
consideradas:
– largura de banda (bits por
segundo) da rede de
acesso
– compartilhada ou dedicada
Internet: o núcleo da rede
• Malha de roteadores
interconectados
• Cada fluxo de dados fim-a-fim é
dividido em pacotes
– Cada pacote usa toda a
banda do canal
– Recursos são usados quando
necessário
• Pacotes de diferentes host
compartilham recursos da rede
– Demanda total pelos recursos
pode superar a quantidade
disponível
Parâmetros de desempenho
• Atraso – tempo gasto para o pacote percorrer um trecho
da rede
– Relacionados: atraso em um sentido (one-way delay),
atraso de ida-e-volta (RTT), atraso de propagação, atraso de
transmissão, atraso de processamento, etc.
• Perda – não recebimento de um pacote enviado
– Relacionados: perda por degradação do sinal, perda por
transbordo de buffer, perda por descarte em fila, perda por
colisão, etc.
• Vazão – quantidade de bits por unidade de tempo
– Relacionados: vazão útil, vazão agregada, vazão por fluxo,
etc.
• Outros: variação de atraso (jitter), pacotes fora de
ordem, taxa de erro de bit, etc.
Perdas e atrasos na Internet
Pacotes enfileiram nos buffers do roteador
• Taxa de chegada de pacotes ao enlace excede
a capacidade do enlace de saída
Atrasos
Perda de pacotes
• Fila (buffer) anterior a um canal possui capacidade finita
• Quando um pacote chega numa fila cheia, o pacote é
descartado (perdido)
• O pacote perdido pode ser retransmitido pelo nó
anterior, pelosistema origem, ou não ser retransmitido
Definição Internet
• Uma inter-rede (internet) é privada para um
grupo se seus recursos (sobretudo, roteadores e
enlaces) e tráfego não é acessível a outros
grupos
– Implementação típica envolve enlaces próprios (ou
arrendados) para interligar os roteadores
– É também conhecida como Intranet, embora esse
termo também seja usado para redes menores
• A Internet global é pública porque seus recursos
são compartilhados entre todos
Arquitetura Internet
• Parte do tráfego está restrito à infraestrutura
privada
• Parte do tráfego flui através da Internet
global
Redes privada e pública
• Internet privada é cara
• Internet pública é barata
• Objetivo: combinar a segurança de uma rede
privada com o baixo custo da Internet global
– Pergunta: como uma organização que usa a
Internet global para conectar seus sites mantém
seus dados privados?
– Resposta: Virtual Private Network (VPN)
Virtual Private Network (VPN)
• Conecta todos os domínios (de uma
organização) através da Internet global
• Protege os dados enquanto eles passam de
um domínio para outro, usando
– Criptografia
– Encapsulamento IP-em-IP
Exemplo VPN
• VPN com endereços IP privados
Endereços privados na Internet pública
• Problema: vários equipamentos com
endereços IP privados, porém o site tem
apenas um (ou poucos) endereços IP públicos
(ex.: pequeno ISP)
• Duas abordagens:
– Gateway de aplicação (em geral, um para cada
serviço)
• Exemplo: proxy web
– Network Address Translation (NAT)
Network Address Translation (NAT)
•
•
•
•
Economia de endereços IP públicos
Solução no nível IP
Transparente para ambas extremidades
Implementação
– Geralmente em software
– Normalmente instalado em um roteador
Operação
• Substitui o endereço IP de origem no pacote
que sai (do site)
• Substitui o endereço IP de destino no pacote
que entra (no site)
• Também manipula protocolos de camadas
superiores, por exemplo
– Transporte: pseudo cabeçalho para TCP e UDP
– Aplicação: conexão de dados do FTP
Tabela de tradução
• Cada entrada na tabela específica uma
extremidade local (privada) e outra global
• Modelo típico
– Cada entrada é criada dinamicamente por um pacote
ao sair do site
– Cada entrada serve para fazer o mapeamento
reverso de endereço para pacotes entrando no site
• Variante mais comum de NAT usa portas de
protocolo (de transporte) na composição do
índice da tabela
– NAPT (Network Address Port Translation)
Exemplo
Endereço IP
• Função semelhante ao endereço de hardware,
ou seja, identificar uma interface de
comunicação
• Cada interface de comunicação ligada a Internet
(pública) contém um endereço IP unicast (de um
destino) único
• É usado pelas aplicações distribuídas
• É um valor binário de 32 bits (versão 4)
– Valores foram agrupados para tornar o roteamento
eficiente
Formato do endereço IP
• Dividido em duas partes:
– Prefixo de rede (network ID) – identifica a rede a
qual o host se conecta
• Um prefixo de rede atende uma rede física (proposta
original do endereçamento IP)
– Sufixo de host (host ID) – identifica o host
naquela rede
Prefixo de Rede
Sufixo de Host
Endereço IP com classe
• Esquema original de endereçamento IP
• Explica muitas decisões de projeto
• Novos esquemas mantém compatibilidade
retroativa
Prefixo e Sufixo
• Prefixo grande: muitas redes, porém pequenas
• Prefixo pequeno: poucas redes, porém grandes
• Solução: acomodar (ou pelo menos tentar)
ambas as possibilidades, criando classes de
endereços
Classes de endereços IP
Classes de endereços IP
• Uma classe (tamanho de prefixo e sufixo)
pode ser encontrada de forma eficiente
Propriedades importantes
• Endereços com classe são “ auto-identificados”, logo:
– É possível determinar a fronteira entre prefixo e sufixo a
partir apenas do endereço IP, portanto:
• Endereço IP identifica uma conexão à rede (ou seja,
uma interface de comunicação) e não um
equipamento
– Ex.: um roteador participa em pelo menos duas redes,
logo tem pelo menos duas interfaces de comunicação e,
portanto, tem pelo menos dois endereços IP
Notação
• Decimal com pontos
– O endereço é descrito byte-a-byte em notação
decimal, separando com pontos: w.x.y.z
• Exemplo:
– Notação binária:
10010010 10100100 01000101 00000010
– Notação decimal com pontos:
146.164.69.2
Endereços Especiais
• Todos os bits com zero (0.0.0.0): este host nessa rede
– Pode aparecer como apenas como endereço fonte
– É usado no processo de inicialização (boot), antes do equipamento
obter seu endereço
•
•
•
•
Todos os bits com um (255.255.255.255): difusão (broadcast) local
Sufixo de host com todos os bits zero (ex.: 100.0.0.0): endereço da
Rede
Sufixo de host com todos os bits um (ex.: 200.0.0.255): difusão
(broadcast) direcionada
• Endereço 127.0.0.1 significa loopback, ou seja, não é enviado pela
• Rede
– A rede 127.0.0.0 inteira é reservada para loopback
Multicasting
• Endereços da classe D são reservados para
multicast
• IP permite multicast (multi-destinatário),
porém o suporte não está disponível em toda
Internet
• Cada endereço corresponde a um grupo de
equipamentos
Atribuição de Endereços
• Todos os hosts na mesma rede possuem o
mesmo prefixo (de rede) nos endereços
• Prefixos são atribuídos por uma entidade
central ou obtidos de um ISP (Internet Service
Provider)
• Cada host em uma rede tem um único sufixo
– Sufixos são atribuídos localmente
Exemplos
Restrições ao modelo com classe
• Apenas três classes para enquadrar as redes
– Classe C muito pequena: apenas 254 hosts
– Classe B permite muitos hosts, mas o número de
prefixos é insuficiente (pouco mais de 16 mil)
– Classe A tem número muito pequeno de prefixos:
126
• Problema: como racionalizar a atribuição de
prefixos de rede (sobretudo de classe B) sem
abandonar o esquema de endereçamento de 32
bits?
Endereçamento em sub-redes
• Permite que um domínio use um único
prefixo de rede para múltiplas redes físicas
– Subdivide o sufixo de host em um par de campos:
rede física e host
Exemplo
• As duas redes físicas compartilham o mesmo prefixo
de rede: 150.0
• Roteador R1 usa o terceiro byte para escolher a rede
física
Tamanho da sub-rede
• Depende da topologia do site e do número de
hosts em cada rede física
• Pode ser qualquer subdivisão de uma rede
classe A, B ou C, desde que seja uma
potência de dois
• O tamanho é estabelecido por uma máscara
de sub-rede
Máscara de sub-rede
• A cada rede física é associado uma máscara de
endereço de 32 bits, também chamada máscara de
sub-rede
• Os bits “1 ” na máscara cobrem todo o prefixo de rede
• Para identificar o prefixo de rede e a sub-rede é feito
um “ E” lógico (bit-a-bit) entre o endereço IP
fornecido e a máscara de sub-rede
• Dois tipos de máscara:
– Máscara de sub-rede de tamanho fixo
– Máscara de sub-rede de tamanho variável (Variable
Length Subnet Mask – V LSM)
Máscara de sub-rede de tamanho fixo
• 4 sub-redes de uma classe B (ex.: 150.0.0.0) atendem
adequadamente, sendo todas as sub-redes do mesmo
tamanho
Máscara de sub-rede de tamanho fixo
Rede 150.0.0.0 = 10010110 00000000 00000000 00000000
4 sub-redes => 2 bits para a máscara
Máscara = 11111111 11111111 11000000 00000000
ou 255.255.192.0 (notação decimal com pontos)
1.a sub-rede = 10010110 00000000 00000000 00000000 ou 150.0.0.0
2.a sub-rede = 10010110 00000000 01000000 00000000 ou 150.0.64.0
3.a sub-rede = 10010110 00000000 10000000 00000000 ou 150.0.128.0
4.a sub-rede = 10010110 00000000 11000000 00000000 ou 150.0.192.0
Máscara de sub-rede de tamanho fixo
Máscara de sub-rede de tamanho fixo
• Domínio usa a mesma máscara em todas as
redes físicas
• Vantagens:
– Uniformidade
– Facilidade de projeto, manutenção e depuração
• Desvantagens:
– Número fixo de redes para todo o site
– Número fixo de hosts por rede
Máscara de sub-rede de tamanho
variável (VLSM)
• 4 sub-redes de uma classe B (ex.: 150.0.0.0) atendem
adequadamente, no entanto, cada sub-rede possui um
tamanho diferente
Máscara de sub-rede de tamanho
variável (VLSM)
• Rede 150.0.0.0 = 10010110 00000000 00000000 00000000
• 4 redes físicas, sendo que a maior necessita de ½ dos endereços IP
=> 1 bit (resta ½ dos endereços)
• A segunda maior rede física necessita de ¼ dos endereços => 2
bits (resta ¼ dos endereços)
• As duas redes físicas menores são atendidas com 1/8 dos
endereços (cada uma) => 3 bits
• Ou seja, as respectivas máscaras atendem:
Máscara = 11111111 11111111 10000000 0000000 (255.255.128.0)
Máscara = 11111111 11111111 11000000 0000000 (255.255.192.0)
Máscara = 11111111 11111111 11100000 0000000 (255.255.224.0)
Máscara de sub-rede de tamanho
variável (VLSM)
Máscara de sub-rede de tamanho
variável (VLSM)
• Administrador pode escolher tamanhos diferentes para
cada rede física
• Máscara é associada com base na rede física, ou seja, cada
rede pode ter a sua máscara
• Vantagens:
– Flexibilidade para misturar redes físicas de diferentes
tamanhos
– Uso mais racional do espaço de endereçamento
• Desvantagens:
– Maior complexidade para atribuir e administrar endereços
– Potenciais ambiguidades e inconsistências no endereçamento
Classless Inter-Domain Routing (CIDR
• Porque?
– Crescimento exponencial da Internet
– O uso de sub-redes não é suficiente
– Endereços IP limitados (sobretudo classe B)
• Previsão feita em 1993:
– “ Endereços IP (versão 4) esgotados em poucos anos”
• Devido a várias medidas até hoje endereços não
se esgotaram
– Novas previsões: 2010, 2011, 2016, 2023, etc.
Motivação para CIDR: classe C
• Contexto:
– Pouco mais de 16 mil prefixos de classe B
– Mais de 2 milhões de prefixos de classe C
– Classe C é muito pequena para um grande número
de redes
• Com CIDR tornou-se possível, por exemplo:
– Agrupar 256 prefixos de classe C em um único prefixo
equivalente a uma classe B
– Dividir uma classe B em prefixos menores, desde que
potências de 2
Notação CIDR
• Endereços são escritos no formato: número/M
– Número: prefixo de rede
– M: quantidade de bits “1 ” na máscara, ou seja, seu
tamanho
• Exemplo:
214.5.48.0/20
– Prefixo ocupa 20 bits
– Sufixo ocupa 12 bits
– Essa faixa equivale a 16 prefixos de classe C ou 1/16 de
classe B
Exemplo
214.5.48.0
20 bits
=
=
11010110 00000101 00110000 00000000
11111111 11111111 11110000 00000000
prefixo da rede = 11010110 00000101 00110000 00000000 ou
214.5.48.0
end. de difusão = 11010110 00000101 00111111 11111111 ou
214.5.63.255
É equivalente, por exemplo, às seguintes redes classe C agrupadas:
214.5.48.0
214.5.49.0
214.5.50.0
214.5.51.0
214.5.52.0
214.5.53.0
214.5.54.0
214.5.55.0
214.5.56.0
214.5.57.0
214.5.58.0
214.5.59.0
214.5.60.0
214.5.61.0
214.5.62.0
214.5.63.0
Usando o CIDR
• O site pode ser atendido (como exemplo) pela
seguinte rede 200.150.64.0/18, evitando:
– O desperdício de uma rede classe B
– A manipulação de 64 entradas de redes classe C apenas
para o site
Usando CIDR
• Uso da rede 200.150.64.0/18, com VLSM para atender as
redes físicas de diferentes tamanhos e CIDR para
descrever agregações (e portanto, rotas) sem classe
Exemplo 2
• Alguns ISPs tem clientes com demanda por pequeno número de
endereços IP, a qual pode ser atendida por uma fração de classe C.
Por exemplo, a rede 200.100.50.128/26, atende o site acima
Exemplo 2
• Uso da rede 200.100.50.128/26, com VLSM
para atender as redes físicas de diferentes
tamanhos e CIDR para economizar endereços
Resumo CIDR
• Atende temporariamente, espera-se que até
a versão 6 do IP se estabelecer
– Foi previsto para ter sucesso durante alguns
anos, mas superou muito as expectativas
• Mantém compatibilidade retroativa com
endereços com classe
– Basicamente, estende o conceito de máscara de
subrede de tamanho variável (VLSM) para o
prefixo
Endereços especiais
• Endereços IP privados
– Alguns blocos CIDR reservados para uso dentro de um
site
– Não devem aparecer na Internet pública
• Podem se repetir em diferentes sites
– São também chamados “não roteáveis”, pois alguns
roteadores (na Internet) os descartam
– São eles:
Roteamento
• Regras para o encaminhamento de pacotes
– Hosts entregam pacotes para destinos conectados
“ diretamente”
• Destino está conectado “diretamente” quando tem o
mesmo prefixo de rede da origem, ou seja, exige um
teste simples
– Hosts enviam para um roteador os pacotes que não
conseguem entregar “diretamente”
• Hosts também precisam
encaminhamento
tomar
decisões
de
– Roteadores encaminham pacotes para outros roteadores
– Roteador mais próximo do destino faz a entrega “ direta”
Roteamento
• Estratégia de roteamento:
– se host destino etá na mesma rede => envia datagrama
diretamente
– senão => envia a um gateway local
• Tabela de roteamento:
– Associa rotas para redes diretamente conectadas;
– Atualização manual ou através de protocolos de
roteamento.
• Pesquisa por uma rota:
– extrai o endereço da rede respeitando as classes padrões
– pesquisa tabela de roteamento pelo endereço da rede
• se encontrou rota => envia ao gateway
• senão => envia ao gateway defaut
Exemplo 1
Roteamento
• Como é que o TCP/IP faz para saber se o
computador de origem e o computador de
destino pertencem à mesma rede?
Roteamento
• Endereço IP e máscara das duas máquinas são
convertidos para binário.
– É feita uma operação lógica “E”, bit a bit, entre esse
par de informações.
– O resultado das duas operações são comparados, se
forem iguais, os dois computadores são da mesma
rede.
– Nesse caso o TCP/IP envia o pacote para a rede local,
todos recebem o pacote, mas só a máquina de
destino captura o pacote e processa-o.
Operação E
192.168.1.2
11000000
10101000
00000001
00000010
255.255.255.0
11111111
11111111
11111111
00000000
192.168.1.0
11000000
10101000
00000001
00000000
E
192.168.1.5
11000000
10101000
00000001
00000101
255.255.255.0
11111111
11111111
11111111
00000000
192.168.1.0
11000000
10101000
00000001
00000000
Percebe-se nesse exemplo que as duas estações
pertencem a rede 192.168.1.0
Exemplo2
Operação E
192.168.1.2
11000000
10101000
00000001
00000010
255.255.255.0
11111111
11111111
11111111
00000000
192.168.1.0
11000000
10101000
00000001
00000000
E
172.16.1.3
10101100
00010000
00000001
00000011
255.255.0.0
11111111
11111111
00000000
00000000
172.16.0.0
10101100
00010000
00000000
00000000
Percebe-se nesse exemplo que uma estação pertence
a rede 192.168.1.0 e outra a rede 172.16.0.0.
Exemplo 3
Operação E
192.168.1.2
11000000
10101000
00000001
00000010
255.255.255.224
11111111
11111111
11111111
11100000
192.168.1.0
11000000
10101000
00000001
00000000
E
192.168.1.37
11000000
10101000
00000001
00100101
255.255.255.224
11111111
11111111
11111111
11100000
192.168.1.32
11000000
10101000
00000001
00100000
Percebe-se nesse exemplo que uma estação pertence
a sub-rede 192.168.1.0
e outra a sub-rede
192.168.1.32.
Roteamento
• Nesta situação o TCP/IP envia o pacote para o
Roteador e este se encarrega de fazer o
pacote chegar à rede do computador de
destino.
Roteamento
• Decisões são baseadas em consulta à tabela de
roteamento ou encaminhamento.
• Tabela de roteamento mantém apenas os
prefixos de rede
– Tabela de rota mantém apenas o endereço para o
próximo roteador, ou seja, é um roteamento (ou
encaminhamento) de próximo-salto
• Operações que exigem extrema eficiência:
– Consulta à tabela
– Atualização de rota
Tabela de Roteamento
• Tabela de Roteamento do Roteador utilizado no
Exemplo 3
Endereço de Rede
Máscara de Rede
Gateway Interface
Métrica
192.168.1.0
255.255.255.224
-
192.168.1.1
0
192.168.1.32
255.255.255.224
-
192.168.1.33
0
Tabela de Roteamento – Exemplo 2
Tabela de Roteamento – Roteador - GO
Endereço de Rede
Máscara de Rede Gateway
Interface
Métrica
10.10.20.0
255.255.255.0
10.10.30.2
10.10.30.1
1
0.0.0.0
0.0.0.0
10.10.30.2
10.10.30.1
1
Tabela de Roteamento – Roteador - DF
Endereço de Rede
Máscara de Rede Gateway
Interface
Métrica
10.10.10.0
255.255.255.0
10.10.30.1
10.10.30.2
1
0.0.0.0
0.0.0.0
10.10.30.1
10.10.30.2
1
Roteamento
• Roteamento orientado a redes, não a hosts;
• Hosts processam pacotes nas quatro
camadas da arquitetura, enquanto que os
gateways os processam apenas até o nível
internet;
Host A.1
Aplicação
Transporte
Internet
Rede
Gateway G1
Internet
Rede
Network A
Gateway G2
Internet
Rede
Network B
Host C.1
Aplicação
Transporte
Internet
Rede
Network C
Roteamento
• Rota padrão (default route)
– Não é obrigatória, mas é útil, sobretudo para
hosts
– É usada quando o endereço não casa com
nenhuma outra entrada da tabela (máscara:
0.0.0.0)
– Normalmente, deve haver apenas uma rota
padrão