Quais das três camadas do modelo OSI fornecem serviços de rede semelhantes a aqueles fornecidos pela camada de aplicação do modelo TCP IP?

Introdução à suíte de protocolos TCP/IP

Objetivos

• Conhecer e compreender como os computadores se interligam pela internet mesmo estando em pontos físicos diferentes.

Introdução

De acordo com Torres (2009), a suíte TCP/IP, além de ser o protocolo da internet, é atualmente a família de protocolos mais utilizada nas comunicações de computadores. Ele tem esse nome devido aos seus dois principais protocolos que são o TCP e o IP. O TCP/IP trabalha em redes comutadas por pacotes, em que o IP tem a função de descobrir a rota por onde os pacotes vão passar e o TCP a função de garantir a entrega desses pacotes.

Assim, segundo Torres (2009), a arquitetura do TCP/IP baseia-se principalmente em um serviço de transporte orientado à conexão fornecido pelo TCP, e em um serviço de rede não orientado à conexão (datagrama não confiável) fornecido pelo IP. Alguns dos principais protocolos que fazem parte da família TCP/IP são:

• IP – Internet Protocol
• ARP – Address Resolution Protocol
• ICMP – Internet Control Message Protocol
• UDP – User Datagram Protocol
• TCP – Transport Control Protocol
• RIP – Routing Information Protocol
• SMTP – Simple Mail Transfer Protocol
• DNS – Domain Name Server.

Modelo TCP/IP

O tráfego na rede, de acordo com o modelo TCP/IP, se organiza na seguinte ordem (TORRES, 2009):

• um processo ou aplicação gera um dado e o envia à camada host-to-host;
• na camada host-to-host, quando adicionado um cabeçalho TCP ao dado, ele é denominado mensagem;
• na camada internet, quando adicionado um cabeçalho IP à mensagem, ela é denominada pacote;
• na camada de acesso a rede, quando adicionado um cabeçalho com o endereço MAC ou físico da estação ao pacote e alguns dígitos de controle, é denominado frame;
• que é transportado ao seu destino;
• chegando ao seu destino, é feito o processo inverso de desmontagem do frame, pacote, mensagem e entregue o dado ao processo ou aplicação de destino.

De acordo com Torres (2009), o modelo TCP/IP é constituído, comparado ao modelo OSI, em quatro camadas: Aplicação, Transporte (TCP), Internet (IP) e Física.

Camada física

Também chamada camada de abstração de hardware, tem como função principal a interface do modelo TCP/IP com os diversos tipos de redes (X.25, ATM, FDDI, Ethernet, Token Ring, Frame Relay, sistema de conexão ponto a ponto SLIP, etc.).

Camada de internet (IP)

A camada de rede é a primeira (normatizada) do modelo. Também conhecida como camada internet, é responsável pelo endereçamento, roteamento dos pacotes, controle de envio e recepção (erros, bufferização, fragmentação, sequência, reconhecimento, etc.), etc.

Dentre os protocolos da camada de rede, destaca-se inicialmente o IP (Internet Protocol), além do ARP, ICMP, RARP e dos protocolos de roteamento (RIP ,IGP, OSPF, Hello, EGP e GGP). A camada de rede é uma camada não orientada à conexão; portanto se comunica através de datagramas.

IP (Internet Protocol)

A função básica do protocolo IP é o transporte dos blocos de dados por entre as sub-redes até chegar ao destinatário. Durante o tráfego pelas sub-redes, existem componentes denominados gateways, que desviam o datagrama IP para outras sub-redes ou para o destinatário, se este fizer parte da sub-rede a que o gateway está conectado.

ICMP (Internet Control Message Protocol)

O protocolo ICMP é utilizado para transmissão de mensagens de controle ou de ocorrência de problemas. Utiliza o protocolo IP para o transporte das mensagens. Geralmente as mensagens ICMP são geradas pelos gateways, podendo também ser geradas pela estação destinatária. De acordo com Comer (2007), as ocorrências do ICMP podem ser:

• destinatário inacessível;
• ajuste de fonte: solicita à estação a redução da taxa de emissão de datagramas;
• redireção: rota mais adequada para a estação destinatária (para atualização da tabela de endereço dos roteadores);
• eco e resposta de eco;
• tempo excedido;
• problemas de parâmetros;
• marca de tempo e resposta à marca de tempo;
• solicitação de informações e respostas de informações;
• solicitação de máscara de endereço e resposta à máscara de endereço.

ARP (Address Resolution Protocol)

O ARP (Address Resolution Protocol) permite que um host, ou computador, encontre o endereço físico de um host de destino na mesma rede física, apresentando somente o endereço IP de destino (COMER, 2007). Quando inicializadas, as estações não possuem uma tabela de correspondência endereços IP/físico (MAC) armazenados. Em vez disso, para cada endereço IP que não esteja na tabela da estação, o protocolo ARP manda uma solicitação para o endereço IP determinado solicitando endereço físico (MAC). O destinatário que tiver o endereço IP informado responde (à máquina solicitante) seu endereço físico. Nessa ocasião, tanto a tabela da máquina origem, quanto a da máquina destinatária são atualizadas com os endereços.

RARP (Reverse Address Resolution Protocol)

Segundo Soares (1995), de forma inversa ao protocolo ARP, uma máquina utiliza o protocolo RARP para procurar um endereço IP relacionado a um endereço físico (MAC) determinado.

Camada de transporte

Para Soares (1999), a camada de transporte é responsável pelo controle da conversação entre as aplicações intercomunicadas da rede. A camada de transporte utiliza dois protocolos: o TCP e o UDP.

TCP

De acordo com Comer (2007), o protocolo TCP fornece um serviço full-duplex confiável, pois provê um serviço de transporte fim a fim, ou seja, entre a origem e o destino final da mensagem, constituindo uma conexão lógica e confiável entre eles, com controle de fluxo e controle da sequência de pacotes enviados e recebidos de forma a detectar eventuais perdas de pacotes ao longo da transmissão. Faz também os avisos de recebimento de pacotes. Suas principais funções são:

• transferência de dados: através de mensagens de tamanho variável em full-duplex;
• transferência de dados urgentes: informações de controle, por exemplo;
• estabelecimento e liberação de conexão: antes e depois das transferências de dados, através de um mecanismo chamado three-way-handshake;
• multiplexação: as mensagens de cada aplicação simultânea são multiplexadas para repasse ao IP. Ao chegar ao destino, o TCP demultiplexa as mensagens para as aplicações destinatárias;
• segmentação: quando o tamanho do pacote IP não suporta o tamanho do dado a ser transmitido, o TCP segmenta (mantendo a ordem) para posterior remontagem na máquina destinatária;
• controle do fluxo: através de um sistema de bufferização denominada janela deslizante, o TCP envia uma série de pacotes sem aguardar o reconhecimento de cada um deles. Na medida em que recebe o reconhecimento de cada bloco enviado, atualiza o buffer (caso reconhecimento positivo) ou reenvia (caso reconhecimento negativo ou não reconhecimento após um timeout);
• controle de erros: além da numeração dos segmentos transmitidos, vai junto com o header uma soma verificadora dos dados transmitidos (checksum); assim o destinatário verifica a soma com o cálculo dos dados recebidos;
• precedência e segurança: os níveis de segurança e precedência são utilizados para tratamento de dados durante a transmissão.

UDP (User Datagram Protocol)

O UDP é um protocolo mais rápido do que o TCP, de acordo com Lages (2012), pelo fato de não verificar o reconhecimento das mensagens enviadas. Por esse mesmo motivo, não é confiável como o TCP. É um protocolo não orientado à conexão e não provê muitas funções: não controla o fluxo podendo os datagramas chegarem fora de sequência ou até mesmo não chegarem ao destinatário. Opcionalmente pode conter um campo check-sum; com os quais os datagramas que não conferem ao chegarem no destino são descartados, cabendo à aplicação recuperá-los.

Camada de aplicação

De acordo com Soares(1995), na suíte TCP/IP as aplicações são implementadas de forma isolada, não existindo um padrão que defina como deve ser estruturada, isto é, o FTP possui seu próprio protocolo, o Telnet também, assim como o SNMP, DNS, etc. A camada de aplicação está baseada na arquitetura cliente/servidor.

É na camada de aplicação que se estabelece o tratamento das diferenças entre representação de formato de dados. O endereçamento da aplicação na rede é provido através da utilização de portas para comunicação com a camada de transporte.

DHCP – Dynamic Host Configuration Protocol

O protocolo DHCP é responsável pelo o controle e pela disponibilização de endereços IP para os clientes. O uso do protocolo é muito difundido quando não queremos configurar um endereço IP fixo para cada computador dentro da rede – o trabalho é feito automaticamente pelo protocolo. Geralmente, o protocolo DHCP roda no servidor da rede.

O BOOTP – Bootstrap Protocol

O BOOTP é um protocolo que surgiu para suprir algumas deficiências do protocolo ARP e permite a configuração automática de parâmetros de rede, porém sem a capacidade de alocar dinamicamente esses parâmetros, como faz o DHCP. Utiliza uma comunicação não confiável para obter seus dados.

Telnet (terminal virtual)

É um protocolo que permite a operação em um sistema remoto através de uma sessão de terminal. Com isso, a aplicação servidora recebe as teclas acionadas no terminal remoto como se fosse local. O Telnet oferece três serviços: definição de um terminal virtual de rede; negociação de opções (modo de operação, eco, etc.); e transferência de dados.

FTP/TFTP (File Transfer Protocol)

Provê serviços de transferência, renomeação e eliminação de arquivos, além da criação, modificação e exclusão de diretórios. Para sua operação, são mantidas duas conexões: uma de dados e outra de controle. Não implementa segurança, o que deixa para o TCP, exceto as requisições de senhas de acesso a determinados arquivos (ou servidores FTP). O TFTP difere do FTP por não poder acessar diretórios e não utilizar senhas de segurança.

SNMP (Simple Network Management Protocol)

É utilizado para trafegar as informações de controle da rede. De acordo com o sistema de gerenciamento da arquitetura TCP/IP, existem o agente e o gerente que coletam e processam, respectivamente, dados sobre erros, problemas, violação de protocolos, entre outros. Na rede existe uma base de dados denominada MIB (Management Information Base) onde são guardadas informações sobre hosts, gateways, interfaces individuais de rede, tradução de endereços e softwares relativos ao IP, ICMP, TCP, UDP, etc.

DNS (Domain Name System)

Cada homepage que você acessa, cada servidor, cada bate-papo, tem por trás um IP. Esse endereço IP é um número com quatro octetos, consequentemente de difícil memorização. O que é mais fácil memorizar: algo como 999.222.180.175 ou //www.techveiga.net ?

É aí que entra o Domain Name System, que organiza hierarquicamente os IPs, convertendo-os para nomes. A atribuição de domínios na internet teve como objetivo evitar a utilização de um mesmo nome por mais de um equipamento e descentralizar o cadastramento de redes e equipamentos, dividindo-se a internet em domínios administrativos distintos. O nome simbólico de um equipamento é composto por um nome local adicionado à hierarquia de domínios, conhecido como FQDN (fully qualified domain name – nome de domínio completo).

HTTP – HyperText Transfer Protocol

É o protocolo utilizado na transferência de dados via páginas web, como arquivos no formato HTML, imagens, arquivos de sons, entre outros. A transferência de dados é iniciada quando o cliente faz uma requisição ao servidor HTTP através do URL – Uniform Resource Locator. O protocolo roda sob a porta 80.

POP3 – Post Office Protocol Version 3

É um protocolo utilizado para acessar uma caixa de correio eletrônico remotamente. Muitos servidores de e-mail podem suportar esse protocolo, permitindo aos usuários baixar, deletar ou armazenar localmente suas mensagens, sem acessá-las pelo Webmail.

IMAP (Internet Message Access Protocol)

É um protocolo de gerenciamento de correio eletrônico superior em recursos ao POP3. Uma vantagem deste protocolo é o compartilhamento de caixas postais entre usuários membros de um grupo de trabalho. Seu uso também permite efetuar pesquisas por mensagens diretamente no servidor, utilizando palavras-chaves.

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)

Implementa o sistema de correio eletrônico da internet operando não orientado à conexão e provê serviços de envio e recepção de mensagens do usuário. Tais mensagens são armazenadas num servidor de correio eletrônico onde o usuário destinatário está cadastrado, até que este as solicite, quando então são apagadas da área de transferência do sistema originador. O SMTP divide a mensagem em duas partes: corpo e cabeçalho, que são separados por uma linha em branco. No cabeçalho existe uma sequência de linhas que identificam o emissor, o destinatário, o assunto e algumas outras informações opcionais.

RPC (Remote Procedure Call)

Implementa mecanismos de procedimentos de chamada remota, úteis no desenvolvimento de aplicações cliente/servidor com um nível maior de abstração. Uma aplicação utiliza o RPC para fazer interface das suas funções. Assim, as funções chamadas pelas aplicações são repassadas ao RPC, que monta uma mensagem correspondente e envia para processamento remoto. O servidor então processa as mensagens, executa a rotina e devolve os resultados para o RPC da estação, que reestrutura os dados e repassa à aplicação. Tudo isso implementa uma função virtualmente local, transparente para a aplicação.

NFS (Network File System)

O NFS supre uma deficiência do FTP, que não efetua acesso on-line aos arquivos da rede. Desenvolvido pela SUN Microsystems, tem acesso através da porta 2049 do UDP. Ele cria uma extensão do sistema de arquivos local, transparente para o usuário, e possibilita várias funções, como as seguintes:

• criação e modificação de atributos dos arquivos;
• criação, leitura, gravação, renomeação e eliminação de arquivos;
• criação, leitura e eliminação de diretórios;
• pesquisa de arquivos em diretórios;
• leitura dos atributos do sistema de arquivos.

Um dos problemas do NFS é que ele não suporta acesso compartilhado aos arquivos; portanto, tais preocupações devem estar a cargo da aplicação. O NFS utiliza o UDP; logo, tem embutidas várias rotinas de segurança para suprir a deficiência do protocolo.

Endereçamento IP

Endereçamento IPv4

Existem aproximadamente quatro bilhões de endereços IPv4. Os endereços válidos foram divididos entre os continentes e, dentro destes, entre os países. Ainda existem muitos endereços IP disponíveis, porém, ocorre um grande problema de distribuição, existem muitos endereços disponíveis para alguns lugares com pouca demanda, e em outros existe uma grande escassez, devido à grande demanda.

Um endereço IPv4 consiste em 32 bits. Em vez de trabalhar com 32 bits por vez, é comum a prática de segmentação dos 32 bits de um endereço IP em quatro campos de oito bits chamados de octetos; por isso a denominação IPv4. Cada octeto é convertido em um número de base decimal na escala de 0-255 e separado por um ponto. Este formato é chamado notação decimal pontuada, conforme pode ser visto na Figura Conversão de endereço binário para decimal.

Classes dos endereços IPv4

Os endereços IPs estão divididos em cinco classes determinadas pelas faixas de valores definidas ao endereço IP.

Classe D: 224.0.0.0 a 239.255.255.255 – dedicados à multicast.

Classe E:240.0.0.0 até 255.255.255.254 – reservados para uso futuro.

Observando as classes A, B e C, vemos que:

• Classe A – possui oito bits (um octeto) para rede e 24 bits (três octetos) para hosts.
• Classe B – possui 16 bits (dois octetos) para rede e 16 bits (dois octetos) para hosts.
• Classe C – possui 24 bits (três octetos) para rede e oito bits (um octeto)para hosts.

Endereços IPv4 reservados

São endereços reservados para uso em redes privadas, não sendo endereços IP válidos para uso na internet. Um endereço IP válido é aquele que pode ser utilizado na internet. Cada servidor de sua rede que possuir acesso pela internet deve ter um IP válido para que possa ser encontrado. O Quadro Endereços reservados mostra os endereços reservados para as redes privadas ou locais.

A série iniciada com o número 127 é reservada para testes internos (loopback).

Máscaras de sub-rede IPv4

Máscaras de sub-rede são conjuntos de quatro números, similares aos IPs, que servem para indicar em uma rede qual é a parte fixa e qual é a parte variável.

Em redes classe A, apenas o primeiro byte é fixo, e os outros três são variáveis. Por exemplo, em uma rede local classe A, os endereços têm a forma 10.xx.xx.xx. A máscara de sub-rede usada é 255.0.0.0. Os zeros indicam a parte variável dentro da rede, o valor 255 (representado em binário como 11111111) indica a parte fixa. As máscaras usadas para redes A, B e C são as seguintes:

• Máscara de rede classe A – 255.0.0.0
• Máscara de rede classe B – 255.255.0.0
• Máscara de rede classe C – 255.255.255.0
• As classes D e E são classes especiais.

Para que um micro esteja na mesma rede que outro, as posições em que aparecem o número 255 na máscara de rede devem ser iguais em todos os micros. Só deve variar a posição onde a máscara é identificada por 0 (zero); esta pode variar do número 1 ao 254. Os bits 0 (zero) estão associados aos hosts (ou hospedeiros) – computadores, roteadores, impressoras de rede etc., enquanto os bits 1 (um) estão associados à rede.

Endereços de rede e broadcast IPv4

O endereço de rede é utilizado para identificar a rede, não podendo ser utilizado por nenhum elemento da rede. O endereço de broadcast é um endereço utilizado para comunicar-se com todos os elementos da rede ao mesmo tempo, não podendo ser atribuído a nenhum deles.

Exemplo 1 – Classe A

Endereço de rede – 10.0.0.0 – Máscara 255.0.0.0

Endereços IP (para os elementos da rede) – de 10.0.0.1 a 10.255.255.254

Endereço de broadcast – 10.255.255.255

Exemplo 2 – Classe B

Endereço de rede – 172.16.0.0 – Máscara 255.255.0.0

Endereços IP (para os elementos da rede) – de 172.16.0.1 a 172.16.255.254

Endereço de broadcast – 172.16.255.255

Exemplo 3 – Classe C

Endereço de rede – 192.168.10.0 – Máscara 255.255.255.0

Endereços IP (para os elementos da rede) – de 192.168.10.1 a 192.168.10.254

Endereço de broadcast – 192.168.10.255

Vídeos Complementares

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