Redes de computadores: Circuitos virtuais e tabelas de comutação

Redes de computadores e a Internet 4 A camada de rede

4
Objetivos do capítulo:
• Entender princípios dos serviços da camada de rede:
Capitulo 4
Capítulo • Roteamento (seleção de caminho)
• Escalabilidade
• Como funciona um roteador
• Tópicos avançados: IPv6, mobilidade
• Instanciação e implementação na Internet
A camada
de rede

© 2005 by Pearson Education 4-2

4 •
A camada de rede
4. 1 Introdução
4 A camada de rede

• 4.2 Circuito virtual e redes de datagrama
• 4.3 O que há dentro de um roteador • Transporta segmentos do
• 4.4 IP: Protocolo da Internet hospedeiro transmissor para o
• Formato do datagrama receptor
• Endereçamento IPv4 • No lado transmissor encapsula os
• ICMP segmentos em datagramas
• IPv6
• No lado receptor, entrega os
• 4.5 Algoritmos de roteamento segmentos à camada de transporte
• Link state
• Protocolos da camada de rede em
• Distance vector
cada hospedeiro, roteador
• Roteamento hierárquico
• Roteador examina campos de
• 4.6 Roteamento na Internet
cabeçalho em todos os datagramas
• RIP
IP que passam por ele
• OSPF
• BGP
• 4.7 Roteamento de broadcast e multicast

© 2005 by Pearson Education 4-3 © 2005 by Pearson Education 4-4

4 Funções-chave da camada de rede
4 Interação entre roteamento e comutação

• Comutação: mover pacotes da entrada do roteador para a saída
apropriada do roteador
• Roteamento: determinar a rota a ser seguida pelos pacotes desde a
origem até o destino.
• Algoritmos de roteamento
Analogia:
• Roteamento: processo de planejar a viagem da origem ao destino
• Comutação: processo de passar por um único intercâmbio


4 Estabelecimento de conexão
4 Modelo de serviço de rede

P.: Como escolher o modelo de serviço para o “canal” de transporte de
• 3a função importante em algumas arquiteturas de rede: datagramas do transmissor ao receptor?
• ATM, frame relay, X.25 Exemplo de serviços para datagramas individuais:
• Antes do fluxo de datagramas, dois hospedeiros e os devidos roteadores • Garantia de entrega
estabelecem uma conexão virtual • Garantia de entrega com menos do que 40 mseg de atraso
• Roteadores são envolvidos Exemplo de serviços para um fluxo de datagramas:
• Serviço de conexão da camada de rede e de transporte: • Entrega em ordem dos datagramas
• Rede: entre dois hospedeiros • Garantia de uma banda mínima para o fluxo
• Transporte: entre dois processos • Restrições em mudanças no espaçamento entre pacotes


4 Modelos de serviço da camada de rede
4 •
A camada de rede
4. 1 Introdução
Parâmetros garantidos • 4.2 Circuito virtual e redes de datagrama
Arquitetura Modelo de Realim. de
de rede serviço Banda Perda Ordem Tempo congestão • 4.3 O que há dentro de um roteador
• 4.4 IP: Protocolo da Internet
Internet melhor não não não não não (examina • Formato do datagrama
esforço perdas) • Endereçamento IPv4
ATM CBR taxa sim sim sim não há • ICMP
constante • IPv6
congestão
ATM VBR taxa sim sim sim não há • 4.5 Algoritmos de roteamento
garantida • Link state
congestão
• Distance vector
ATM ABR mínimo não sim não sim • Roteamento hierárquico
garantido
ATM UBR não não sim não não • RIP
• OSPF
• BGP
• Novos serviços na Internet: Intserv, Diffserv • 4.7 Roteamento de broadcast e multicast

© 2005 by Pearson Education 4-9 © 2005 by Pearson Education 4 - 10

4 Camada de rede: serviços de conexão e sem-conexão
4 Circuitos virtuais (VC)

“A ligação entre a origem e o destino emula uma ligação telefônica”
• Redes de datagrama provêm serviços sem-conexão na camada de rede • Orientado ao desempenho
• A rede controla a conexão entre a origem e o destino
• Redes de circuito virtual provêm serviços de conexão na camada de rede
• Análogo aos serviços da camada de transporte, mas: • Estabelecimento da conexão deve preceder o envio de dados. Liberação
• Serviço: hospedeiro-a-hospedeiro da conexão após os dados.
• Sem escolha: a rede provê ou um ou outro • Cada pacote transporte um identificador do CV, não transporta o
• Implementação: no núcleo endereço completo do destino
• Cada roteador na rota mantém informação de estado para conexão que
passa por ele.
• O link e os recursos do roteador (banda, buffers) podem ser alocados
por VC

© 2005 by Pearson Education 4 - 11 © 2005 by Pearson Education 4 - 12

4 Implementação de VC
4 Tabela de comutação

Um VC consiste de:
1.Caminho da origem até o destino
2.Números de VC, um número para cada link ao longo do caminho
3.Entradas em tabelas de comutação em roteadores ao longo do caminho Tabela de comutação no roteador a noroeste:

• Pacotes pertencentes a um VC carregam um número de VC. Interface de entrada VC # de entrada Interface de saída VC # de saída
• O número de VC deve ser trocado em cada link.
1 12 2 22
• Novos números de VC vêm da tabela de comutação 2 63 1 18
3 7 2 17
1 97 3 87
… … … …

Roteadores mantêm informações de estado de conexão


4 Circuitos virtuais: protocolos de sinalização
4 Redes de datagrama

• Usado para estabelecer, manter e encerrar circuitos virtuais • Não existe estabelecimento de conexão na camada de rede
• Usados em ATM, frame-relay e X-25 • Roteadores: não existe estado sobre conexões fim-a-fim
• Não é usado na Internet atualmente • O conceito “conexão” não existe na camada de rede
• Pacotes são encaminhados pelo endereço do hospedeiro de destino
• Pacotes para o mesmo destino podem seguir diferentes rotas


4 Tabela de comutação
4 bilhões de entradas possíveis
4 Encontro de prefixos maiores

Destination Address Range Link Interface Prefix Match Link Interface
11001000 00010111 00010 0
11001000 00010111 00010000 00000000 11001000 00010111 00011000 1
through 0 11001000 00010111 00011 2
11001000 00010111 00010111 11111111 otherwise 3

11001000 00010111 00011000 00000000
through 1 Exemplos
11001000 00010111 00011000 11111111 DA: 11001000 00010111 00010110 10100001 Qual interface?

11001000 00010111 00011001 00000000
through 2 DA: 11001000 00010111 00011000 10101010 Qual interface?
11001000 00010111 00011111 11111111

otherwise 3


4 Datagrama versus circuito virtual
• Internet
4 •
A camada de rede
4. 1 Introdução
• Dados trocados entre computadores • 4.2 Circuito virtual e redes de datagrama
• Serviço elástico, requisitos de atraso não críticos • 4.3 O que há dentro de um roteador
• Sistemas finais inteligentes • 4.4 IP: Protocolo da Internet
• Podem adaptar-se, realizar controle e recuperação de erros • Formato do datagrama
• A rede é simples; a complexidade fica nas pontas • Endereçamento IPv4
• ICMP
• Muitos tipos de enlaces • IPv6
• Características diferentes
• 4.5 Algoritmos de roteamento
• Difícil obter um serviço uniforme • Link state
ATM • Distance vector
• Originário da telefonia • Roteamento hierárquico
• Conversação humana:
• RIP
• Tempos estritos, exigências de confiabilidade • OSPF
• Necessário para serviço garantido • BGP
• Sistemas finais “burros” • 4.7 Roteamento de broadcast e multicast
• Telefones
• Complexidade dentro da rede

4 Visão geral da arquitetura do roteador
Duas funções-chave do roteador:
4 Funções da porta de entrada

• Executar algoritmos/protocolos (RIP, OSPF, BGP)
• Comutar os datagramas do link de entrada para o link de saída

Camada física:
recepção de bits
Camada de enlace: Comutação descentralizada:
ex.: Ethernet • Dado o destino do datagrama, procura a porta de
(veja capítulo 5) saída usando a tabela de comutação na memória da
porta de entrada
• Objetivo: completar o processamento da porta de
entrada na ‘velocidade da linha’
• Fila: se os datagramas chegam mais rápido do que a
taxa de comutação para o switch


4 Três tipos de estrutura de comutação
4 Comutação via memória
Primeira geração de roteaores:
• Computadores tradicionais com comutação sob controle direto da CPU
• Pacote copiado para a memória do sistema
• Velocidade limitada pela largura de banda (2 bus cruzados por datagrama)

porta de memória porta
entrada de saída

bus do sistema


4 Comutação via bus
4 Comutação via rede de interconexão

• Supera as limitações de largura de banda do bus
• Redes de Banyan, outras redes de interconexão inicialmente
desenvolvidas para conectar processadores em multiprocessamento
• Projeto avançado: fragmentar datagramas em células de tamanho fixo,
comutar as células através do switch.
• Cisco 12000: comuta Gbps através da rede de interconexão

• Datagrama da memória da porta de entrada para a memória da porta de
saída através de um bus compartilhado
• Contenção do bus: velocidade de comutação limitada pela largura de banda
do bus
• Barramento de 1 Gbps, Cisco 1900: velocidade suficiente para roteadores de
acesso e de empresas (não para roteadores regionais ou de backbone)


4 Portas de saída
4 Enfileiramento na porta de saída

• Buffering: quando a taxa de
chegada pelo switch excede a
velocidade da linha de saída
• Queueing (atraso) e perda
devido ao buffer overflow da
porta de saída!

• Buffering necessário quando datagramas chegam do switch mais rápido
do que a taxa de transmissão
• Disciplina de agendamento escolhe entre os datagramas na fila para
transmissão


4 Enfileiramento na porta de entrada
4 •
A camada de rede
4. 1 Introdução
• 4.3 O que há dentro de um roteador
• Switch mais lento que as • 4.4 IP: Protocolo da Internet
portas de entrada combinadas • Formato do datagrama
-> pode ocorrer filas na • Endereçamento IPv4
entrada • ICMP
• Bloqueio Head-of-the-Line • IPv6
(HOL): datagrama na frente • 4.5 Algoritmos de roteamento
da fila impede os outros na • Link state
fila de se moverem para • Distance vector
adiante • Roteamento hierárquico
• Atraso e perda na fila devido • 4.6 Roteamento na Internet
ao overflow no buffer de • RIP
entrada! • OSPF
• BGP


4 A camada de rede
Não é possív el exibir esta imagem no momento.
Entidade de rede em roteadores ou hospedeiros:
4 •
A camada de rede
4. 1 Introdução
Camada de Transporte: TCP, UDP
• Formato do datagrama
Prot. de roteamento protocolo IP • Endereçamento IPv4
• Escolha de caminhos • Endereçamento • ICMP
• RIP, OSPF, BGP •Formato dos datagramas • IPv6
Camada de •Tratamento de pacotes • 4.5 Algoritmos de roteamento
rede • Link state
Tabela protocolo ICMP • Distance vector
de rotas • Aviso de erros • Roteamento hierárquico
• Sinalização de rotas • 4.6 Roteamento na Internet
• RIP
Camada de enlace
• OSPF
• BGP
Camada física


4 Formato do datagrama IP
versão do protocolo IP 32 bits tamanho total
do datagrama
4 IP fragmentação e remontagem
• Enlaces de rede têm MTU (max.
tamanho do header ver head. type of length (bytes) transfer size) - corresponde ao
(bytes) len service maior frame que pode ser
classe de serviço fragment para transportado pela camada de
16-bit identifier flgs
offset fragmentação/ enlace.
número máximo time to proto- Internet
remontagem • Tipos de enlaces diferentes
de saltos live colo checksum possuem MTU diferentes
(decrementado em (Ethernet: 1518 bytes)
32 bit endereço IP de origem
cada roteador)
• Datagramas IP grandes devem ser
32 bit endereço IP de destino divididos dentro da rede
protocolo da camada
superior com dados no Opções (se houver) Ex.: marca de (fragmentados)
datagrama tempo,registro de • Um datagrama dá origem a
data vários datagramas
rota lista de
Tamanho do cabeçalho TCP? (tamanho variável, • “remontagem” ocorre apenas no
roteadores a
• 20 bytes do TCP tipicamente um segmento destino final
visitar. • O cabeçalho IP é usado para
• 20 bytes do IP TCP ou UDP)
• = 40 bytes + cabeçalho da identificar e ordenar
camada de aplicação datagramas relacionados


4 IP fragmentação e remontagem
4 Encapsulamento de Dados

• Exemplo
tamanho ID fragflag offset
• datagrama de 4000 bytes =4000 =x =0 =0
• MTU = 1500 bytes
Um grande datagrama se torna
vários datagramas menores

tamanho ID fragflag offset
=1500 =x =1 =0
1480 bytes no
campo de dados tamanho ID fragflag offset
=1500 =x =1 =1480
offset =
1480/8 tamanho ID fragflag offset
=1040 =x =0 =2960


4 Cabeçalho do Pacote IP
4 Dispositivos da Camada de Rede no Fluxo de Dados






4 •
A camada de rede
4. 1 Introdução
• Formato do datagrama
• Endereçamento IPv4
• ICMP
• IPv6
• 4.5 Algoritmos de roteamento
• Link state
• Distance vector
• Roteamento hierárquico
• RIP
• OSPF
• BGP


4 Endereçamento IP: Introdução
Endereçamento de Rede - Analogia

• Endereço IP: identificador de 32
bits para interfaces de
roteadores e hospedeiros
• Interface: conexão entre
roteador ou hospedeiro e enlace
físico
• Roteador tem tipicamente
múltiplas interfaces
• Hospedeiros podem ter
múltiplas interfaces
• Endereços IP são associados
com interfaces, não com o
hospedeiro ou com o
roteador 223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 00000001
223 1 1 1


Estrutura do Endereço IP

Endereços IP e Máscaras de Rede
Ì O IP é descrito através da estrutura de números decimais (octetos)
separados por ponto. • O endereço IP é dividido em 02 campos.
• Os octetos mais a esquerda, representam o identificador da rede e o
restante representa o identificador do host na rede.


• O limite entre o endereçamento da rede e do host é • A conversão do endereço IP 10.34.23.134 em binário resultaria em:
definido pela máscara de rede.
•00001010.00100010.00010111.10000110

•A operação booleana AND aplicada sobre o endereço IP 10.34.23.134
e a mascara de sub-rede 255.0.0.0 produz o endereço de rede deste
host.

•Ao converter o resultado em decimal pontuado, 10.0.0.0 será a parte
do endereço IP correspondente à rede, ao se utilizar a máscara
255.0.0.0


• Já ao realizarmos a operação booleana AND entre o
endereço IP 10.34.23.134 e a mascara de sub-rede
255.255.0.0 temos:

•Ao converter o resultado em decimal pontuado,
10.34.0.0 será a parte do endereço IP correspondente à
rede, ao se utilizar a máscara 255.255.0.0





Endereço de
Broadcast


4 Sub-redes

• Endereço IP:
Endereços IP Privados • Parte da sub-rede (bits de
ordem superior)
• Part do hospedeiro (bits
de ordem inferior)
• O que é um sub-rede?
• Interfaces de dispositivo
com a mesma parte de
sub-rede do endereço IP
• Podem alcançar
fisicamente uns aos outros
sem intervenção de
roteador
rede consistindo de 3 sub-redes


4 Sub-redes
4 Sub-redes

Receita
• Para determinar as sub-redes,
destaque cada interface de seu
hospedeiro ou roteador, criando
ilhas de redes isoladas. Cada
rede isolada é considerada uma
sub-rede.

máscara de sub-rede: /24


4 Sub-redes
4 Sub-redes

Quantas?

223.1.2.1


4 Endereçamento IP: CIDR
4 Como obter um endereço IP

P.: Como um hospedeiro obtém endereço IP ?
• CIDR: Classless InterDomain Routing
• A porção de endereço de rede tem tamanho arbitrário • Definido pelo administrador do sistema
• Formato do endereço: a.B.C.D/x, em que x é o número de bits na parte de • Wintel: control-panel->network->configuration->tcp/ip->properties
rede do endereço • UNIX: /etc/rc.config
• DHCP: dynamic host configuration protocol: obtém dinamicamente
endereços IP de um servidor
• “plug-and-play”
parte de parte de • (mais no próximo capítulo)
rede hospedeiro
11001000 00010111 00010000 00000000

200.23.16.0/23


4 Como obter um endereço IP
4 Endereçamento hierárquico: agregação de rotas

O endereçamento hierárquico permite uma propagação de rotas mais eficiente:

P.: Como uma rede obtém a parte de sub-rede do endereço IP ?
R.: obtém a porção alocada no espaço de endereço do seu provedor ISP

bloco do ISP 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/20

Organização 0 11001000 00010111 00010000 00000000 200.23.16.0/23
Organização 1 11001000 00010111 00010010 00000000 200.23.18.0/23
Organização 2 11001000 00010111 00010100 00000000 200.23.20.0/23
... … … …
Organização 7 11001000 00010111 00011110 00000000 200.23.30.0/23


4 Endereçamento hierárquico: rotas mais específicas
4 Endereçamento IP: a última palavra…

P.: Como o ISP obtém seu bloco de endereço?
R.: ICANN: internet corporation for assigned
names and numbers
• Aloca endereços
• Gerencia DNS
• Atribui nomes de domínios e resolve disputas


4 NAT: Network Address Translation

resta da rede local
Internet (ex.: rede doméstica)
10.0.0/24 10.0.0.1
• Motivação: redes locais podem utilizar apenas um endereço IP:
10.0.0.4 • Não é preciso alocar uma gama de endereços do ISP: apenas um
10.0.0.2 endereço IP é usado para todos os dispositivos
138.76.29.7 • Podem-se alterar os endereços dos dispositivos na rede local sem
precisar notificar o mundo exterior
10.0.0.3
• Pode-se mudar de ISP sem alterar os endereços dos dispositivos na
rede local
todos os datagramas que saem da rede
datagramas com origem ou destino • Dispositivos da rede local não são explicitamente endereçáveis ou
local possuem o mesmo e único endereço
nesta rede possuem endereço visíveis pelo mundo exterior (um adicional de segurança).
IP do NAT de origem: 138.76.29.7,
10.0.0/24 para origem, destino
números diferentes de portas de origem
(usualmente)



Implementação: o roteador NAT deve:

2: roteador NAT 1: hospedeiro 10.0.0.1
Datagramas que saem: substituir (endereço IP de origem, porta #) de cada substitui end. origem envia datagrama
datagrama para (endereço IP do NAT, nova porta #) para 128.119.40, 80
do datagram de
. . . clientes/servidores remotos responderão usando (endereço IP do NAT,
nova porta #) como endereço de destino. 10.0.0.1, 3345 para
138.76.29.7, 5001,
• Lembrar (na tabela de tradução do NAT) cada (endereço IP de origem, atualiza a tabela
porta #) para o par de tradução (endereço IP do NAT, nova porta #).

• Datagramas que chegam: substituir (endereço IP do NAT, nova porta #)
nos campos de destino de cada datagrama pelos correspondentes
(endereço IP de origem, porta #) armazenados da tabela NAT

4: roteador NAT
3: resposta chega
substitui o endereço de
endereço de destino:
destino do datagrama
138.76.29.7, 5001
de 138.76.29.7, 5001
para 10.0.0.1, 3345

4 •
A camada de rede
4. 1 Introdução
• Campo número de porta com 16 bits: • 4.4 IP: Protocolo da Internet
• 60.000 conexões simultâneas com um único endereço de LAN • Formato do datagrama
• NAT é controverso: • ICMP
• Roteadores deveriam processar somente até a camada 3 • IPv6
• Violação do argumento fim-a-fim • 4.5 Algoritmos de roteamento
• A possilidade de NAT deve ser levada em conta pelos • Link state
desenvolvedores de aplicações, ex., aplicações P2P • Distance vector
• A escassez de endereços deveria ser resolvida pelo IPv6 • Roteamento hierárquico
• RIP
• OSPF
• BGP


4 ICMP: Internet Control Message Protocol
4 Traceroute e ICMP

• O transmissor envia uma série de segmentos UDP para o destino
• Usado por computadores e Tipo Código descrição • O 1o possui TTL = 1
roteadores para troca de 0 0 echo reply (ping) • O 2o possui TTL = 2 etc.
informação de controle da 3 0 dest. network unreachable • no de porta improvável
camada de rede 3 1 dest host unreachable • Quando o enésimo datagrama chega ao enésimo roteador:
• Error reporting: hospedeiro, 3 2 dest protocol unreachable • O roteador descarta o datagrama
rede, porta ou protocolo 3 3 dest port unreachable • E envia à origem uma mensagem ICMP (type 11, code 0)
• A mensagem inclui o nome do roteador e o endereço IP
• Echo request/reply (usado pela 3 6 dest network unknown
aplicação ping) 3 7 dest host unknown • Quando a mensagem ICMP chega, a origem calcula o RTT
• Transporte de mensagens: 4 0 source quench (congestion • O traceroute faz isso três vezes
• Mensagens ICMP transportadas control - not used) • Critério de interrupção
8 0 echo request (ping)
em datagramas Ip • O segmento UDP finalmente chega ao hospedeiro de destino
• ICMP message: tipo, código, mais 9 0 route advertisement
10 0 router discovery • O destino retorna o pacote ICMP “hospedeiro unreachable” (type 3, code 3)
primeiros 8 bytes do datagrama IP
11 0 TTL expired • Quando a origem obtém esse ICMP, ela pára.
que causou o erro
12 0 bad IP header


4 •
A camada de rede
4. 1 Introdução
4 Cabeçalho IPv6

• 4.2 Circuito virtual e redes de datagrama • Motivação inicial: o espaço de endereços de 32 bits está próximo de ser
• 4.3 O que há dentro de um roteador completamente alocado.
• 4.4 IP: Protocolo da Internet • Motivação adicional:
• Formato do datagrama • Melhorar o formato do header para permitir maior velocidade de
processamento e de transmissão
• ICMP
• IPv6 • Mudanças no header para incorporar mecanismos de controle de QOS
• 4.5 Algoritmos de roteamento • Formato do datagrama IPV:
• Link state • Cabeçalho fixo de 40 bytes
• Distance vector
• Roteamento hierárquico • Não é permitida fragmentação
• RIP
• OSPF
• BGP


4 Cabeçalho IPv6

Priority: permitir definir prioridades diferenciadas para vários fluxos de
4 Outras mudanças do IPv4

informação
Flow label: identifica datagramas do mesmo “fluxo.” (conceito de “fluxo” não • Checksum: removido inteiramente para reduzir o tempo de
é bem definido). processamento em cada salto
Next header: identifica o protocolo da camada superior ou um header auxiliar • Options: são permitidas, mas são alocadas em cabeçalhos suplementares,
indicados pelo campo “Next header”
• ICMPv6: nova versão de ICMP
• Tipos de mensagens adicionais , ex.: “Packet Too Big”
• Funções de gerenciamento de grupos multicast


4 Transição do IPv4 para IPv6
4 Tunelamento

• Nem todos os roteadores poderão ser atualizados simultaneamente
• Não haverá um dia da vacinação
• Como a rede irá operar com roteadores mistos de IPV4 e IPV6?
• Tunelamento: IPv6 transportado dentro de pacotes IPv4 entre
roteadores IPv4


Redes de computadores: Circuitos virtuais e tabelas de comutação

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (19)

En vedette

En vedette (20)

Similaire à Redes de computadores: Circuitos virtuais e tabelas de comutação

Similaire à Redes de computadores: Circuitos virtuais e tabelas de comutação (20)

Plus de fernandao777

Plus de fernandao777 (20)

Redes de computadores: Circuitos virtuais e tabelas de comutação