Capítulo 4: Camada de Rede
Objetivos do capítulo:
r
entender os princípios por trás dos serviços da
camada de rede:
m
m
m
m
m
m
r
modelos de serviço da camada de rede
repasse versus roteamento
como funciona um roteador
roteamento (seleção de caminho)
lidando com escala
tópicos avançados: IPv6, mobilidade
instanciação, implementação na Internet
4: Camada de Rede
4a-1
Capítulo 4: Camada de Rede
4. 1 Introdução
r 4.2 Redes de circuitos
virtuais e de
datagramas
r 4.3 O que há dentro de
um roteador
r 4.4 O Protocolo da
Internet (IP)
r
m
m
m
m
Formato do datagrama
Endereçamento IPv4
ICMP
IPv6
r
4.5 Algoritmos de
roteamento
m
m
m
r
4.6 Roteamento na
Internet
m
m
m
r
Estado de enlace
Vetor de distâncias
Roteamento hierárquico
RIP
OSPF
BGP
4.7 Roteamento
broadcast e multicast
4: Camada de Rede
4a-2
Camada de rede
r
r
r
r
r
transporta segmentos da
estação remetente à receptora
no lado remetente, encapsula
segmentos dentro de
datagramas
no lado receptor, entrega os
segmentos para a camada de
transporte
protocolos da camada de rede
em todos os sistemas finais e
roteadores
roteadores examinam campos de
cabeçalho de todos os
datagramas IP que passam por
eles
aplicação
transporte
rede
enlace
física
rede
enlace
física
rede
enlace
física
rede
enlace
física
rede
enlace
física
rede
enlace
física
rede
enlace
física
rede
enlace
física
rede
enlace
física
rede
enlace
física
rede
enlace
física
rede
enlace
física
4: Camada de Rede
aplicação
transporte
rede
enlace
física
4a-3
Funções principais da camada de
rede
r
r
repasse: move pacotes analogia:
de uma entrada do
roteador para a saída
apropriada
roteamento:
r roteamento: processo
de planejar uma
viagem da origem até
o destino
determina a rota a ser
seguida pelos pacotes r repasse: processo de
da fonte até o destino
atravessar uma
encruzilhada durante
m Algoritmos de
a viagem
roteamento
4: Camada de Rede
4a-4
Relacionamento entre roteamento e
repasse
algoritmo de roteamento determina
o caminho fim-a-fim através da rede
Algoritmo de
roteamento
tabela de repasse determina
o repasse local neste roteador
tabela de repasse local
valor cabeçalho link saída
0100
0101
0111
1001
valor no cabeçalho
do pacote que está
chegando
0111
3
2
2
1
1
3 2
4: Camada de Rede
4a-5
Estabelecimento de conexão
r
r
r
3ª função importante em algumas arquiteturas de
rede:
m
ATM, frame relay, X.25
m
roteadores são envolvidos
Antes dos pacotes fluírem, dois hosts e
roteadores intermediários estabelecem uma
conexão virtual
Serviço de conexão das camadas de transporte e
de rede:
m
m
rede: entre dois hosts (envolve também roteadores
intermediários no caso de CVs)
transporte: entre dois processos
4: Camada de Rede
4a-6
Modelo de serviço de rede
P: Qual é o modelo de serviço para o “canal” que
transfere pacotes do remetente ao receptor?
Exemplos de serviços para
pacotes individuais:
r Entrega garantida
r Entrega garantida com
atraso limitado:
r Ex.: menor que 40 mseg
Exemplos de serviços para um
fluxo de datagramas:
r Entrega ordenada de
pacotes
r Largura de banda mínima
garantida
r restrições em mudanças no
espaçamento entre
pacotes.
4: Camada de Rede
4a-7
Modelos de serviço da camada de rede:
Arquitetura
de Rede
Internet
r
Modelo de
Banda
serviço
ATM
melhor
esforço
CBR
ATM
VBR
ATM
ABR
ATM
UBR
Garantias ?
Indicação de
Perdas Ordem Tempo congestion.?
nenhuma
não
não
não
taxa
constante
taxa
garantida
mínima
garantida
nenhuma
sim
sim
sim
sim
sim
sim
não
sim
não
não (inferido
via perdas)
sem
congestion.
sem
congestion.
sim
não
sim
não
não
Modelo Internet está sendo estendido: Intserv, Diffserv
m Capítulo 7
4: Camada de Rede
4a-8
Capítulo 4: Camada de Rede
4. 1 Introdução
r 4.2 Redes de circuitos
virtuais e de
datagramas
r 4.3 O que há dentro de
um roteador
r 4.4 O Protocolo da
Internet (IP)
r
m
m
m
m
m
Formato do datagrama
Endereçamento IPv4
ICMP
IPv6
IPSec
r
4.5 Algoritmos de
roteamento
m
m
m
r
4.6 Roteamento na
Internet
m
m
m
r
Estado de enlace
Vetor de distâncias
Roteamento hierárquico
RIP
OSPF
BGP
4.7 Roteamento
broadcast e multicast
4: Camada de Rede
4a-9
Serviços orientados e não
orientados para conexão
r rede datagrama provê um serviço de
camada de rede sem conexões
r rede circuito virtual provê um serviço de
camada de rede orientado para conexões
r análogos aos serviços da camada de
transporte, mas:
m
m
m
Serviço: host-a-host
Sem escolha: rede provê ou um ou o outro
Implementação: no núcleo da rede
4: Camada de Rede
4a-10
Redes de circuitos virtuais
“caminho da-origem-ao-destino se comporta como um
circuito telefônico”
m
m
r
r
r
r
em termos de desempenho
em ações da rede ao longo do caminho da-origem-ao-destino
estabelecimento de cada chamada antes do envio dos dados
cada pacote tem ident. de CV (e não endereços origem/dest)
cada roteador no caminho da-origem-ao-destino mantém
“estado” para cada conexão que o atravessa
recursos de enlace, roteador (banda, buffers) podem ser
alocados ao CV (recursos dedicados = serviço previsível)
4: Camada de Rede
4a-11
Implementação de CV
Um CV consiste de:
1.
2.
3.
r
r
caminho da origem para o destino
números (identificadores) de CV, um número para cada
enlace ao longo do caminho
entradas nas tabelas de repasse dos roteadores ao longo
do caminho
pacote que pertence a um CV carrega o número do
CV (ao invés do endereço de destino)
Número do CV deve ser trocado a cada enlace
m
Novo número do CV vem da tabela de repasse
4: Camada de Rede
4a-12
Tabela de repasse
Número do CV
22
12
1
Tabela de repasse
no roteador noroeste:
2
32
3
número da
interface
Interface de entrada # CV de entrada Interface de saída # CV de saída
1
2
3
1
…
12
63
7
97
…
3
1
2
3
…
22
18
17
87
…
Roteadores mantêm informação sobre o estado da
conexão!
4: Camada de Rede
4a-13
Circuitos virtuais:
protocolos de sinalização
usados para estabelecer, manter, destruir CV
r usados em ATM, frame-relay, X.25
r não usados na Internet convencional
r
aplicação
6. dados recebidos aplicação
transporte 5. começa fluxo de dados
transporte
rede
4. conexão completa
3. chamada aceita
rede
1. inicia chamada
enlace
2. chegada de chamada
enlace
física
física
4: Camada de Rede
4a-14
Rede de datagramas: o modelo da
Internet
r
r
r
não requer estabelecimento de chamada na camada de rede
roteadores: não guardam estado sobre conexões fim a fim
m não existe o conceito de “conexão” na camada de rede
pacotes são repassados tipicamente usando endereços de
destino
m 2 pacotes entre o mesmo par origem-destino podem seguir
caminhos diferentes
aplicação
transporte
rede
1. envia dados
enlace
física
aplicação
transporte
rede
2. recebe dados
enlace
física
4: Camada de Rede
4a-15
Tabela de repasse
4 bilhões de endereços IP,
ao invés de listar
endereços destino
individuais lista faixa de
endereços (entradas
agregáveis da tabela)
algoritmo de roteamento
tabela de repasse local
endereço dest link saída
faixa-endereços 1
faixa-endereços 2
faixa-endereços 3
faixa-endereços 4
3
2
2
1
endereço IP de destino no
cabeçalho do pacote que chega
1
3 2
4: Camada de Rede
4a-16
Origens das redes de circuitos
virtuais e de datagramas
Internet
r
r
r
ATM
troca de dados entre
r
computadores
r
m serviço “elástico”, sem
reqs. temporais estritos
muitos tipos de enlaces
m características diferentes
m serviço uniforme difícil
sistemas terminais
r
“inteligentes” (computadores)
m podem se adaptar, exercer
controle, recuperar de
erros
m núcleo da rede simples,
complexidade na “borda”
evoluiu da telefonia
conversação humana:
m temporização estrita,
requisitos de
confiabilidade
m requer serviço
garantido
sistemas terminais “burros”
m telefones
m complexidade dentro
da rede
4: Camada de Rede
4a-17
Capítulo 4: Camada de Rede
4. 1 Introdução
r 4.2 Redes de circuitos
virtuais e de
datagramas
r 4.3 O que há dentro de
um roteador
r 4.4 O Protocolo da
Internet (IP)
r
m
m
m
m
Formato do datagrama
Endereçamento IPv4
ICMP
IPv6
r
4.5 Algoritmos de
roteamento
m
m
m
r
4.6 Roteamento na
Internet
m
m
m
r
Estado de enlace
Vetor de distâncias
Roteamento hierárquico
RIP
OSPF
BGP
4.7 Roteamento
broadcast e multicast
4: Camada de Rede
4a-18
Sumário de Arquitetura de
Roteadores
Duas funções chave de roteadores:
r
r
usam algoritmos/protocolos de roteamento
(RIP, OSPF, BGP)
comutam datagramas do enlace de entrada para a saída
4: Camada de Rede
4a-19
Funções das Portas de Entrada
Camada física:
recepção de bits
Camada de enlace:
p.ex., Ethernet
veja capítulo 5
Comutação descentralizada:
r
r
r
dado o dest. do datagrama, procura porta de
saída usando tab. de rotas na memória da
porta de entrada
meta: completar processamento da porta de
entrada na ‘velocidade da linha’
filas: se datagramas chegam mais rápido que
taxa de re-envio para matriz de comutação
4: Camada de Rede
4a-20
Elemento (matriz) de
comutação
r transfere pacotes do buffer de entrada
para o buffer de saída apropriado
r taxa de comutação: taxa na qual os pacotes
podem ser transferidos das entradas para
as saídas:
m
m
frequentemente medida como múltiplo das taxas
das linhas de entrada/saída
N entradas: desejável taxa de comutação N
vezes a taxa da linha.
4: Camada de Rede
4a-21
Três tipos de comutação
4: Camada de Rede
4a-22
Portas de Saída
r
r
enfileiramento necessário quando datagramas chegam do
elemento de comutação mais rapidamente do que a taxa de
transmissão
disciplina de escalonamento escolhe um dos datagramas
enfileirados para transmissão
4: Camada de Rede
4a-23
Capítulo 4: Camada de Rede
4. 1 Introdução
r 4.2 Redes de circuitos
virtuais e de
datagramas
r 4.3 O que há dentro de
um roteador
r 4.4 O Protocolo da
Internet (IP)
r
m
m
m
m
Formato do datagrama
Endereçamento IPv4
ICMP
IPv6
r
4.5 Algoritmos de
roteamento
m
m
m
r
4.6 Roteamento na
Internet
m
m
m
r
Estado de enlace
Vetor de distâncias
Roteamento hierárquico
RIP
OSPF
BGP
4.7 Roteamento
broadcast e multicast
4: Camada de Rede
4a-24
A Camada de Rede na Internet
Funções da camada de rede em estações, roteadores:
Camada de transporte: TCP, UDP
Camada
de rede
protocolo IP
•convenções de endereços
•formato do datagrama
•convenções de manuseio do pct
Protocolos de rot.
•seleção de rotas
•RIP, OSPF, BGP
Tabela de
repasse
protocolo ICMP
•relata erros
•“sinalização” de roteadores
Camada de enlace
Camada física
4: Camada de Rede
4a-25
Formato do datagrama IP
número da versão
do protocolo IP
comprimento do
cabeçalho (bytes)
“tipo” dos dados (DS)
número máximo
de enlaces restantes
(decrementado a
cada roteador)
protocolo da camada
superior ao qual
entregar os dados
Quanto overhead
com o TCP?
r 20 bytes do TCP
r 20 bytes do IP
r = 40 bytes +
overhead cam. aplic.
32 bits
comp. tipo de
comprimento
ver
serviço
cab
início do
ident. 16-bits bits
fragmento
sobre- camada
checksum
superior
vida
Internet
comprimento total
do datagrama
(bytes)
para
fragmentação/
remontagem
endereço IP de origem 32 bits
endereço IP de destino 32 bits
Opções (se tiver)
dados
(comprimento variável,
tipicamente um segmento
TCP ou UDP)
p.ex. marca de
tempo,
registrar rota
seguida, especificar
lista de roteadores
a visitar.
4: Camada de Rede
4a-26
Endereçamento IP: introdução
endereço IP: ident.
de 32-bits para
interface de estação,
roteador
r interface: conexão
entre estação,
roteador e enlace
físico
r
m
m
m
roteador típico tem
múltiplas interfaces
estação pode ter
múltiplas interfaces
endereço IP associado
à interface, não à
estação ou roteador
223.1.1.1
223.1.2.1
223.1.1.2
223.1.1.4
223.1.1.3
223.1.2.9
223.1.3.27
223.1.2.2
223.1.3.2
223.1.3.1
223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 00000001
223
1
1
4: Camada de Rede
1
4a-27
Subredes
r
endereço IP:
m
m
r
parte de rede (bits de
mais alta ordem)
parte de estação (bits
de mais baixa ordem)
O que é uma subrede
IP? (da perspectiva do
endereço IP)
m interfaces de
dispositivos com a
mesma parte de rede nos
seus endereços IP
m podem alcançar um ao
outro sem passar por um
roteador intermediário
223.1.1.1
223.1.2.1
223.1.1.2
223.1.1.4
223.1.1.3
223.1.2.9
223.1.3.27
223.1.2.2
subrede
223.1.3.1
223.1.3.2
Esta rede consiste de 3 subredes
4: Camada de Rede
4a-28
Subredes
223.1.1.0/24
223.1.2.0/24
Receita
r desassociar cada
interface do seu
roteador, estação
r criar “ilhas” de redes
isoladas
r cada rede isolada é
uma sub-rede
223.1.3.0/24
Máscara da
sub-rede: /24
4: Camada de Rede
4a-29
Endereçamento IP: CIDR
r CIDR: Classless InterDomain Routing
(Roteamento Interdomínio sem classes)
m
m
parte de rede do endereço de comprimento
arbitrário
formato de endereço: a.b.c.d/x, onde x é no. de
bits na parte de rede do endereço
parte
de rede
parte de
estação
11001000 00010111 00010000 00000000
200.23.16.0/23
4: Camada de Rede
4a-30
Endereços IP: como conseguir um?
P: Como o host obtém um endereço IP?
codificado pelo administrador num arquivo
Windows: Painel de controle->Rede>Configuração>tcp/ip->propriedades
UNIX: /etc/rc.config
DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol:
obtém endereço dinamicamente de um servidor
“plug-and-play”
4: Camada de Rede
4a-31
Tradução de endereços na rede (NAT)
resto da
Internet
rede local
(e.x., rede caseira)
10.0.0/24
10.0.0.4
10.0.0.1
10.0.0.2
138.76.29.7
10.0.0.3
Todos os datagramas deixando a
rede local têm o mesmo único
endereço IP NAT origem:
138.76.29.7, e diferentes
números de porta origem
Datagramas com origem ou
destino nesta rede usam
endereços 10.0.0/24 para
origem e destino (como usual)
4: Camada de Rede
4a-32
Tradução de endereços na rede (NAT)
2: roteador NAT
muda end. origem
do datagrama de
10.0.0.1, 3345 p/
138.76.29.7, 5001,
e atualiza tabela
2
Tabela de tradução NAT
end. lado WAN
end. lado LAN
1: host 10.0.0.1
envia datagrama p/
128.119.40.186, 80
138.76.29.7, 5001 10.0.0.1, 3345
……
……
O: 10.0.0.1, 3345
D: 128.119.40.186, 80
O: 138.76.29.7, 5001
D: 128.119.40.186, 80
138.76.29.7
O: 128.119.40.186, 80
D: 138.76.29.7, 5001
3: Resposta chega
p/ end. destino:
138.76.29.7, 5001
3
1
10.0.0.4
O: 128.119.40.186, 80
D: 10.0.0.1, 3345
10.0.0.1
10.0.0.2
4
10.0.0.3
4: roteador NAT
muda end. destino
do datagrama de
138.76.29.7, 5001 p/ 10.0.0.1, 3345
4: Camada de Rede
4a-33
Capítulo 4: Camada de Rede
4. 1 Introdução
r 4.2 Redes de circuitos
virtuais e de
datagramas
r 4.3 O que há dentro de
um roteador
r 4.4 O Protocolo da
Internet (IP)
r
m
m
m
m
Formato do datagrama
Endereçamento IPv4
ICMP
IPv6
r
4.5 Algoritmos de
roteamento
m
m
m
r
4.6 Roteamento na
Internet
m
m
m
r
Estado de enlace
Vetor de distâncias
Roteamento hierárquico
RIP
OSPF
BGP
4.7 Roteamento
broadcast e multicast
4: Camada de Rede
4a-34