TCP/IP

Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Introdução ao Protocolo
TCP/IP
Gil Pinheiro
UERJ-FEN-DETEL
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Introdução ao Protocolo TCP/IP
•
•
•
•
•
•
Protocolo Inter Redes
Histórico
Estrutura do Protocolo TCP/IP
Equipamentos de Interconexão
Endereçamento na Rede TCP/IP
Serviços da Rede TCP/IP
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
2
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Protocolo Inter Redes
• Contexto: Várias redes locais distribuídas
geograficamente e isoladas entre si
• Problema: Interligar e integrar as redes locais
• Cada rede local deve suportar diversos protocolos
• Exemplos: vários departamentos e unidades de
uma empresa, vários campi de uma universidade,
vários servidores da Internet
Rev. 01/10/2011
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Comunicação
3
Protocolo Inter Redes
Rede 3
?
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Rede 1
Rede 2
Rev. 01/10/2011
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Comunicação
4
Protocolo Inter Redes
R
R
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Rede 1
Rede 3
R
Rede 2
Rev. 01/10/2011
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Comunicação
5
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Protocolo Inter Redes
• Cada usuário enxerga as redes interligadas
como uma única rede
• Os elementos de ligação entre as redes
chamam-se roteadores
• Cada roteador deve conhecer a estrutura das
redes interligadas
• Cada estação é um nó independente da rede
Rev. 01/10/2011
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6
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Tipos de Comunicação entre
Estações
• Unicast – transmissão direta entre duas
estações
• Multicast - transmissão para um grupo
restrito de estações
• Broadcast - transmissão para todas as
estações de uma rede
Rev. 01/10/2011
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Comunicação
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Histórico do Protocolo TCP/IP
• Surgiu com a rede ARPA-NET
• Objetivo estratégico militar (desenvolver uma rede
de alta confiabilidade, que pudesse operar mesmo
num contexto catastrófico)
• O TCP/IP começou a partir do protocolo IP ao
qual foram sendo agregados outros protocolos
(UDP, TCP FTP, TELNET, SMTP, ...) e serviços
Rev. 01/10/2011
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Comunicação
8
Histórico do Protocolo TCP/IP
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Um dos primeiros
desenhos da rede ARPANet, e que posteriormente
originou a Internet
Rev. 01/10/2011
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9
Camadas do TCP/IP
ISO/OSI
Aplicação
Apresentação
Aplicação
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Sessão
TCP/IP
Transporte
Rede
Transporte
Inter-redes (Internet - IP)
Enlace
Físico
Intra-rede (Host to Host)
Rev. 01/10/2011
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Comunicação
Suporte a diversos tipos de
rede (anel, barramentos,10etc)
O TCP/IP pode ser usado com
diversos tipos de redes
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• Camadas Física / Enlace
–
–
–
–
–
–
IEEE 802.3 (Ethernet – 10 Mbps)
IEEE 802.3u (Fast Ethernet – 100 Mbps)
IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet – 1 Gbps)
IEEE 802.4 (Token Bus)
IEEE 802.5 (Token Ring)
Serial (EIA-232 / 485): usando os protocolos
SLIP, CSLIP e PPP
Rev. 01/10/2011
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11
Estrutura de Protocolos TCP/IP
Camada
(Modelo OSI)
FTP
Protocolos
TELNET
SMTP
HTTP
TCP
SNMP
UDP
Redes
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
IP
ETHERNET
Rev. 01/10/2011
TOKEN-BUS
......
Aplicação
Transporte
Rede
TOKEN-RING
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Comunicação
Físico +
Enlace
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Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Alguns protocolos TCP/IP
•
•
•
•
•
•
•
•
IP = Internet Protocol
UDP = User Datagram Protocol
TCP = Transport Control Protocol
FTP = File Transfer Protocol
HTTP = Hypertext Transport Protocol
SNMP = Simple Network Management Protocol
SMTP = Simple Mail Transfer Protocol
TELNET = emulação de terminal
Rev. 01/10/2011
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Comunicação
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Estruturas de Informação
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
•
•
•
•
Camada 1  Seqüência de bits / sinal
Camada 2  Quadro
Camada 3 (Protocolo IP )  Datagrama IP
Camada 4
– Protocolo UDP  Datagrama UDP
– Protocolo TCP  Segmento TCP
Rev. 01/10/2011
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Protocolo IP
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• É o protocolo básico de toda a estrutura do TCP/IP
(é utilizado pelos outros protocolos do TCP/IP)
• Fornece um envio não confiável de mensagens
(usando datagramas IP) entre estações da rede
• A confiabilidade, se necessária, deverá ser provida
pelas camadas superiores da rede. Ex.: TCP
Rev. 01/10/2011
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Comunicação
15
Formato do Datagrama IP
4 bytes
Cabeçalho
Version
IHL
Type of service
Total length
D M
F F
Identification
Time to live
Protocol
Fragment Offset
Header checksum
Fixo
(20 bytes)
IP Source Address
IP Destination Address
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Options (if any)
Variável
(0 a 40
bytes)
Data
Rev. 01/10/2011
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16
Formato do Datagrama IP
•
•
•
•
•
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
•
Version - versão do datagrama
IHL - tamanho do cabeçalho em palavras de 32 bits (de 20 a 60 bytes)
Type of service - host informa a sub-rede o tipo de serviço, existem
combinações de maior velocidade ou confiabilidade. Permite o
roteador selecionar entre uma conexão com alta velocidade mas com
alto retardo (satélite) ou uma linha privativa (baixa velocidade e baixo
retardo) Ex.: FTP - confiabilidade, Voz - rapidez
Total length - incluindo cabeçalho e dados
Identification - permite identificar datagrama fragmentado. Todos os
fragmentos de um mesmo datagrama possuem mesma identificação
DF (Bit) - Don’t Fragment, informa aos rotadores não fragmentar. CPU
destino não possui capacidade de desfragmentar. Útil para pacotes de
boot remoto (carga da memória de uma estação e rede).
Rev. 01/10/2011
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Comunicação
17
Formato do Datagrama IP
•
•
•
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
•
•
•
•
•
MF (Bit) - More Fragments, todos os fragmentos de um datagrama
exceto o último tem esse bit igual a 1, permite saber se todos os
fragmentos chegaram.
Fragment Offset - número de sequência de um datagrama. Permite
saber a ordem dos fragmentos de um datagrama para a remontagem.
Time to live - contador usado para limitar tempo de vida de um
datagrama. Permite vida máxima de 255 segundos ou 255 hops, evita
que datagramas fiquem vagando em caso de falha nas tabelas de
roteamento.
Protocol - permite identificar o protocolo utilizado, ex.: TCP, UDP
Header checksum – seqüência de verificação do cabeçalho apenas,
para detectar erros. É calculado a cada hop, pois o Time to live se altera
neste caso.
Source address – endereço de rede e do host de origem
Destination address - endereço de rede e do host de destino
Options - campo preenchido com informações experimentais
Rev. 01/10/2011
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Comunicação
18
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Endereço IP
• Composto de: endereço de rede + endereço do host
• Cada nó da rede (host ou roteador) possui um endereço
IP
• Hosts da mesma rede possuem mesmo endereço de
rede
• Tamanho de 32 bits (4 bytes) – IP v.4
• Representação “Dotted decimal notation” - Ex.:
164.85.238.26 (A455EE1A hexadecimal)
• Os endereços IP são controlados mundialmente pelo
NIC (Network Information Center)
Rev. 01/10/2011
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19
Classes de Endereço IP
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• Os endereços IP são de 5 classes
• Classes A, B e C - permitem respectivamente até 126
redes com 16 milhões de hosts, até 16.382 redes com
65536 hosts, até 2 milhões de redes com 254 hosts
• Classe D - para multicast, endereçamento de grupos
de hosts
• Classe E - para uso futuro
Rev. 01/10/2011
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20
Formatos de Endereço IP
32 bits
Endereços
de host
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Classe
A
0
B
1 0
C
1 1 0
D
1 1 1 0
E
1 1 1 1 0
Rede
Rev. 01/10/2011
1.0.0.0 a
127.255.255.255
Host
Rede
128.0.0.0 a
191.255.255.255
Host
Rede
Host
192.0.0.0 a
223.255.255.255
Endereço para Multicast
224.0.0.0 a
239.255.255.255
Reservado para uso futuro
240.0.0.0 a
247.255.255.255
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Comunicação
21
Endereços IP Especiais
•
•
•
•
0.0.0.0 - host local, endereço de inicialização
255.255.255.255 - difusão na rede local
127.x.x.x - loopback host local
Um host desta rede
0 0 0 0 ... 0 0
Host
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• Difusão em uma rede remota
Rede
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
1111
........
11
22
Rede Classe A
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
• Primeiro byte: 0 a 127
• Máscara de rede máxima: 255.0.0.0
• Pode conter até 224 - 2 estações
Rev. 01/10/2011
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Comunicação
23
Rede Classe A
Host 10.25.11.2
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Rede 10
Host 10.25.11.3
Host 10.25.11.1
Rev. 01/10/2011
Host 10.25.11.4
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Comunicação
24
Rede Classe B
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
• Primeiro byte: 128 a 191
• Máscara de rede máxima: 255.255.0.0
• Pode conter até 216 - 2 estações
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
25
Rede Classe B
Host 140.20.1.2
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Rede 140.20
Host 140.20.32.3
Host 140.20.10.3
Rev. 01/10/2011
Host 140.20.15.10
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
26
Rede Classe C
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
• Primeiro byte: 192 a 223
• Máscara de rede máxima: 255.255.255.0
• Pode conter até 28 - 2 estações
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
27
Rede Classe C
220.10.5.21/24
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Rede 220.10.4
220.10.4.13/24
220.10.4.11/24
Rev. 01/10/2011
220.10.5.4/24
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Comunicação
28
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Protocolo UDP
• Serviço não confiável de envio de dados
• Utiliza o protocolo IP (é uma extensão
deste)
• Sem conexão
• Características: entrega de pacotes
desordenados, não elimina pacotes
repetidos, controle de fluxo e pode haver
perdas de pacotes
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
29
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Funcionamento do UDP
• Recebe requisição da camada superior e
entrega à camada IP
• Cada operação de saída gera um único
datagrama UDP, que será encapsulado num
datagrama IP
• Na estação receptora, a camada UDP recebe
o datagrama IP, envia os dados à camada
UDP, que repassa-os à camada superior
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
30
Encapsulamento do Datagrama UDP
Datagrama IP
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Datagrama UDP
IP Header UDP Header
20 bytes
8 bytes
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
UDP Data
31
Formato do Datagrama UDP
4 bytes
Cabeçalho
UDP Source Port
UDP Destination Port
UDP Message Length
UDP Checksum
Fixo
(8 bytes)
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Data
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
32
Protocolo TCP
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
•
•
•
•
Serviço confiável de envio de dados fim-a-fim
Utiliza o protocolo IP (não confiável)
Utiliza circuito virtual
Informações de camadas superiores são
segmentadas
• Características: entrega de pacotes em seqüência,
elimina pacotes repetidos, controle de fluxo e
controle de erros
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
33
Funcionamento do TCP
• Etapas:
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
– Estabelecimento da conexão
– Envio dos dados (com seqüenciamento, correção de
erros, eliminação de duplicatas e controle de fluxo)
– Encerramento da conexão
• Modo Full-Duplex
• Método de envio do tipo de janela deslizante
• Usa algoritmo three-way handshake na fase de
estabelecimento da conexão
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
34
Encapsulamento do Segmento TCP
Datagrama IP
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Segmento TCP
IP Header TCP Header
20 bytes
20 bytes
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
TCP Data
35
Formato do Segmento TCP
4 bytes
Cabeçalho
TCP Source Port
TCP Destination Port
Sequence Number
Acknowledgement Number
HLEN
RESERVED
Code Bits
WINDOW
URGENT POINTER
CHECKSUM
PADDING
Options (if any)
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Fixo
(20 bytes)
Variável
(0 a 40
bytes)
Data (if any)
Code Bits: URG,GILACK,
PSH,
SYN, FIN
PINHEIRO
- RedesRST,
de
Rev. 01/10/2011
Comunicação
36
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Equipamentos de Interconexão
•
•
•
•
•
Repetidor (Hub)  Camada 1
Ponte (Bridge)  Camada 2
Comutador (Switch)  Camada 2
Roteador (Router)  Camada 3
Gateway  Camada 6
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
37
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Repetidores / Hubs
• Dispositivo de camada 1
• Repetidor  amplia o sinal, permitindo
aumentar o segmento da rede
• Propaga todo o sinal do segmento (sinal e
ruído)  mesmo domínio de colisão
• Podem ser conversores de meio físico (fibra
ótica / cabo elétrico)
• Hub  Repetidor multiporta
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
38
Rede com Hub
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Hub
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
39
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Ponte (Bridge)
• Dispositivo de camada 2
• Analisa o endereço MAC do quadro
• Permite isolar o tráfego entre dois segmentos de
rede (dois domínios de colisão)
• Só propaga pacotes para o segmento de rede se o
endereço MAC do host pertencer ao segmento
• Reconhece automaticamente os endereços MAC
dos hosts em cada segmento de rede
• Monta tabela de hosts de cada segmento
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
40
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Comutador de Rede (Switch)
• Também denominado Switch
• Dispositivo de camada 2
• É semelhante funcionalmente à Ponte, porém possui várias
portas isoladas entre si
• Analisa os endereços MAC que chegam a uma porta
• Permite subdividir uma rede em diversos domínios de
colisão ou isolar os hosts, um em cada porta
• Só propaga pacotes para uma porta se o endereço MAC do
host pertencer ao segmento ou ao host ligado à porta
• Reconhece automaticamente os endereços MAC dos hosts
em cada porta do Comutador
• Monta tabela com um ou mais hosts ativos em cada porta
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
41
Redes com Comutador
Comutador
Hub
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Rede 1
Rede 2
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
42
Roteador
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
•
•
•
•
Dispositivo de camada 3
Analisa o endereço de rede do pacote
Possuem uma tabela com a configuração da rede
Enviam os pacotes através dos links, para outros
roteadores, até que cheguem à rede destinatária
• Utilizam protocolos especiais para comunicar-se
com outros roteadores e para descobrir a
arquitetura da rede
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
43
Redes com Roteadores
R
R
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Rede 1
Rede 3
R
Rede 2
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
44
Gateway
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
• Dispositivo que abrange até a camada 7
• Permite integrar redes com protocolos e
velocidades diferentes
• Exemplos:
– Gateway MODBUS/TCP x MODBUS/RTU
– Gateway HART x MODBUS/RTU
– Gateway HART x Fieldbus Foundation
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
45
Gateway MODBUS / TCP x RTU
Rede Ethernet
TCP/IP
Gateway
Modbus TCP
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Modbus/RTU
sobre RS-232
Controlador com porta serial
Modbus/RTU
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
46
Gateway MODBUS / TCP x RTU
MODBUS - AP
MODBUS - AP
TCP
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
IP
LLC / MAC
MODBUS – Camada 2
MODBUS/TCP
MODBUS/RTU
Ethernet – Camada 1
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
EIA-232
47
Gateway HART x MODBUS / TCP
MODBUS - AP
Comandos HART
TCP
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
IP
LLC / MAC
HART – Camada 2
MODBUS/TCP
HART
Ethernet – Camada 1
Rev. 01/10/2011
HART – Camada 1
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
48
Roteamento de Pacotes na Rede
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
• Problema: como os pacotes alcançarão a rede
destinatária?
• É efetuado pela camada IP do TCP/IP
• Consiste em verificar na tabela de roteamento,
qual o caminho (rota) adequado e enviar o pacote
através dessa rota
• Caminho adequado:
– Endereço da rede onde está a estação destino
– Endereço da estação destino
• O roteamento pode ser estático e dinâmico
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
49
Interligação de Redes
Host 10.3.41.13
Host 220.10.1.21
Host 10.3.41.4
10.3.41.1
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Roteador
220.10.1.1
130.20.5.10
Host 130.20.41.13
Host 220.10.4.11
Rev. 01/10/2011
Host
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
130.20.5.4
50
Obtendo o endereço de Enlace
(MAC)
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
• Endereço MAC: formato mais comum é do IEEE 802
• É necessário descobrir o endereço MAC, tipicamente para
efetuar o último salto
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
51
Tradução de endereços IP x
Endereço Físico (MAC)
• Protocolos utilizados ARP e RARP
• Dado o IP, obter o MAC:
– ARP = Address Resolution Protocol
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
• Dado o MAC, obter o IP:
– RARP = Reverse ARP
• Exemplo prático
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
52
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
ARP – Address Resolution
Protocol
• Para obter o endereço MAC de uma máquina na
sub-rede local
• Pedido de consulta enviado em broadcast na subrede local (LAN)
• Host que detêm o endereço (ou proxy) responde
com o endereço
• Todos os hosts podem responder a requisições
ARP (inclusive impressoras de rede)
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
53
Endereços IP Reservados
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
• Face ao crescente uso de endereços IP v.4, a
IANA (Internet Assigned Numbers Authority) definiu
três categorias de endereços:
– Categoria 1: hosts de uma empresa que não precisam
acessar hosts internos de outras empresas na Internet;
hosts dentro dessa categoria podem usar endereços IP
que não são ambíguos dentro da empresa, mas podem
ser ambíguos entre empresas. Exemplo: 192.168.1.1
– Categoria 2: hosts que precisam acessar de maneira
limitada recursos externos (exemplos: E-mail, FTP,
www, remote login) que podem ser viabilizados
através de gateways especiais (exemplo: gateways de
camada de aplicação)
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
54
Endereços IP Reservados
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
– Categoria 3: hosts que precisam acesso sem
restrições à camada de rede fora da empresa
(através de conectividade IP); hosts nessa
categoria requerem endereços IP que sejam
globalmente não ambíguos
• Hosts nas categorias 1 e 2 são denominados
privativos e na categoria 3 são denominados
públicos
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
55
Endereços IP Reservados
• A IANA (Internet Assigned Numbers Authority)
reservou os seguintes blocos para redes Internet
privativas
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
– 10.0.0.0 a 10.255.255.255 (prefixo 10/8)
– 172.16.0.0 a 172.31.255.255 (prefixo 172.16/12)
– 192.168.0.0 a 192.168.255.255 (prefixo 192.168/16)
• Esse endereços não são usados na Internet pública
• Podem ser usados outros endereços além desses
em redes privativas sem consultar a IANA
• Os roteadores devem ser configurados (ex.:
provedores de acesso à Internet) para não rotear
endereços privativos para a Internet pública
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
56
Gil Pinheiro –UERJ/FEN/DETEL
Outros Protocolos do Padrão
TCP/IP
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Telnet
Smtp
Ftp
http
IPv4
IPv6
ARP
ICMP
SNMP
Rev. 01/10/2011
GIL PINHEIRO - Redes de
Comunicação
57