Fundamentos de Redes de Computadores Arquitetura TCP/IP
Prof. Ricardo J. Pinheiro
Resumo
Histórico Objetivos Camadas Física Intra-rede Inter-rede Transporte Aplicação
Histórico Anos 1960 Auge da “Guerra Fria”, entre EUA e URSS. DARPA – Agência de Pesquisa Avançada em Defesa (EUA). Primeiras redes de computadores Universidades. Bases militares. Centros e institutos de pesquisa.
Necessidade de interligá-las.
Histórico Necessidades dessa rede: Interligar redes heterogêneas. Abstração do hardware empregado. Capacidade de roteamento. Rede distribuída – sem nó central.
(blahblahblah)
Objetivo da arquitetura TCP/IP: Interligar redes distintas de uma maneira: Padronizada. Simples. Modular.
Nenhuma rede atende todas as necessidades de todos os usuários. Logo, cada um usa a sua estrutura física que for melhor, e a arquitetura TCP/IP "por cima". Camada física – semelhante às camadas física e de enlace do modelo OSI. Não é definida pela arquitetura.
Comparação entre os modelos
Arquitetura TCP/IP – Intra-redes Também conhecida como sub-redes. Interconexão com os níveis físico e de enlace. Ligação entre redes. Mapeamento dos endereços MAC em endereços de rede e vice-versa. Verificação de estado. Serviços de interconexão. Protocolos: ICMP e ARP.
Arquitetura TCP/IP - inter-redes Roteamento entre redes, baseado em endereços e não em hosts. Endereços únicos designados por uma autoridade central IANA - Internet Assigned Numbers Board
Interconexão e roteamento através de gateways. Protocolos: IP (v. 4 e v. 6)
Arquitetura TCP/IP - transporte Serviço confiável orientado à conexão (Circuito Virtual) Seqüenciação Detecção e correção de erros fim-a-fim
Porta, ou estação, ou ponto terminal. Conexão identificada por um par de pontos terminais
Protocolos: TCP e UDP.
Arquitetura TCP/IP - aplicação Protocolos que usam as camadas inferiores para oferecer serviços. Exemplos: Usam TCP: FTP, HTTP, NTTP, SSH, Telnet, SMTP, POP, IMAP, etc. Usam UDP: DNS, NFS, SMNP, NTP, TFTP, etc.
Camada de inter-rede 2 máquinas só se "falam" se ambas souberem os respectivos endereços físicos. Endereço físico, ou endereço MAC: implementado na subcamada MAC da camada de enlace, e define um endereço único para cada dispositivo de rede: Ex: 00:0B:6C:4F:57:22 São 6 bytes: 3 bytes definem o fabricante, e 3 bytes definem o dispositivo.
Total de 2^48 possibilidades: 2^24 fabricantes, cada um com 2^24 dispositivos.
Protocolo ARP Protocolo de resolução de endereços. Traduz endereço de rede em endereço físico.
Como funciona: A precisa enviar dados para B, mas só tem o endereço de rede de B, ou seja, IB. É preciso pegar o endereço físico de B (FB), e mapeá-lo em IB. A manda um mensagem em broadcast (todos os
membros da rede recebem), pedindo que aquela máquina que tiver IB, que retorne seu endereço físico. B retorna, e A adiciona na sua tabela ARP uma nova entrada. * A implementação do comando ARP muda de acordo com o protocolo de acesso ao meio (Ethernet, Token Ring, FDDI, etc).
Protocolo ARP (e RARP) O RARP (ARP Reverso) mapeia um endereço físico num endereço de rede, que pode ser usado em estações diskless (sem disco) e que inicializam pela rede. Comando: arp e rarp (Windows e Linux).
Protocolo ICMP Protocolo de Controle de Mensagens entre Redes - permite que nós informem erros ou forneçam informações sobre o estado da rede. Achar que nunca vamos ter problemas numa rede é utópico: Falhas acontecem. Uma mensagem ICMP é tratada na camada de rede (IP). Comandos: ping e traceroute (Windows e Linux)
Protocolo ICMP Algumas das possíveis mensagens são: Rede fora de alcance; Nó fora de alcance; Porta fora de alcance; Nó desconhecido desconhecido;; Rede destino desconhecida desconhecida;; Tempo de vida do pacote excedido; Pedido de eco (ping); Resposta de eco (pong); etc.
O protocolo ICMP não detecta erros, leva a informação apenas ao seu destino, não aos nós intermediários.
Camada de rede Um protocolo apenas, o IP (protocolo interredes), atualmente na versão 4 (IPv4). Roteia pacotes de um nó para o outro, na mesma rede ou em redes distintas. Usa comutação por pacotes com datagrama não-confiável. Ou seja, não garante a entrega dos pacotes e é não-orientado à conexão. Define também o endereçamento dos nós, o endereço IP. IPv4 - 4 bytes (octetos) IPv6 (em fase de adoção) - 8 bytes (octetos).
Endereço IP (IPv4) Número binário de 32 bits Dividido em 4 octetos de 8 bits cada. Forma do endereço: x.y.z.w. Cada octeto está entre 0 e 255. 2^32 endereços possíveis.
Exemplo: Representação decimal: 128.10.2.30. Representação Representação Representaç ão binária: 10000000.00001010.00000010.00011110.
Apesar do endereçamento ser eficiente, números são melhor entendidos por computadores, e nomes são melhor entendidos por pessoas.
Classes de endereços IP Objetivo: facilitar o roteamento de pacotes. Octeto
Classe
De
Para
0
126
A
128
191
B
192
223
C
224
239
240
247
Tipo
Bits Rede
Máquina
Até 8
Até 24
Até 16 Até 24 -X-
Até 16
D
Redes grandes Redes médias Redes pequenas Multicast
E
Reservado
-X-
-X-
Até 8 -X-
Endereços IP privados 127.x.y.z – loopback - aponta para a própria máquina. Toda máquina com TCP/IP tem essa interface, e é usada para testes internos. O endereço mais usado é o 127.0.0.1.
Endereços reservados em cada classe Não podem ser usados em máquinas diretamente conectadas à Internet, mas através de um gateway. Classe
Rede
A B C
10.x.y.z 172.16.x.y 192.168.1.x
Máscara
255.0.0.0 255.255.0.0 255.255.255.0
Endereços IP privados (reservados) É importante usar endereços privados em redes privadas para evitar confusões no roteador, como rotear pacotes que deveriam ir para a rede interna, mas para a rede externa. Logo, o papel de um roteador é fazer a comunicação entre duas redes, fazendo a tradução dos endereços (NAT) entre a rede privada e a Internet.
Sub-rede Mesmo em redes pequenas (classe C), podemos ter desperdício de endereços: Exemplo: Rede 208.67.45.0 - 253 máquinas possíveis: 208.67.45.0 - definição da rede. 208.67.45.1 a 208.67.45.254 - endereços possíveis da rede. 208.67.45.255 - broadcast. Temos 254 endereços possíveis. Se usarmos 10, teremos desperdício de 243 endereços.
Sub-rede - usar mais bits do endereço para identificar a rede. Acima, poderíamos definir uma sub-rede onde o desperdício será menor. Usamos para isso a máscara de sub-rede.
Máscara de sub-rede A máscara de sub-rede aponta quais bits são da rede, e quais são das máquinas. Exemplo: Máscara:
255.255.255.0
3 octetos para rede (255.255.255) e 1 octeto para máquinas (0) = 256 possibilidades.
No caso de 10 máquinas, uma sub-rede ideal seria 208.67.45.0, com máscara 255.255.255.240 (binário: 11111111.11111111.11111111.11110000) Se a máscara for 255.255.255.0, teremos em binário 11111111 11111111 11111111 00000000, um número binário de 32 bits.
Máscara de sub-rede - exemplo Temos um endereço classe C, como 200.146.69.x. Quantas sub-redes com esse endereços são possíveis? Uma rede - Essa rede é a sub-rede, e teremos: 11111111 11111111 11111111 00000000 (255.255.255.0). Os endereços válidos são 200.146.69.0 a 200.146.69.255. 200.146.69.0 – definição da rede. 200.146.69.255 - broadcast. Faixa de endereços válidos está entre 200.146.69.1 a 200.146.69.254 (254 endereços válidos).
Máscara de sub-rede - exemplo Duas redes - Teremos: 11111111 11111111 11111111 10000000 (255.255.255.128). Os 3 primeiros octetos não mudam. No 4o octeto, colocamos um bit ligado, e assim criamos 2 sub-redes: 1a sub-rede: 200.146.69.0 Broadcast: 200.146.69.127 Endereços válidos: 200.146.69.1 a 200.146.69.126 (126 IPs válidos).
2a sub-rede: 200.146.69.128 Broadcast: 200.146.69.255 Endereços válidos: 200.146.69.129 a 200.146.69.254 (126 IPs válidos).
Máscara de rede - exemplo 4 sub-redes - No último octeto teremos 1100 11 0000 0000 00,, que que é 2 +2 =1 =128 28+6 +64= 4=19 192. 2. A máscara será 255.255.255.192. As subredes serão: ⁷
⁶
200.146.69.0 200.146.69.64 200.146.69.128 200.146.69.192 Todas elas terão 62 IPs válidos.
64 sub-redes - No último octeto seria: 11111100=2 +2 +2 +2 +2³+2²=128+64+ 32+16+8+4=252. A máscara será 255.255.255.252. Teremos 64 sub-redes, cada uma apenas 2 IPs válidos. ⁷
⁶
⁵
⁴
Formato do datagrama IP 2 partes: cabeçalho: temos toda a informação necessária à identificação do datagrama, como: Versão do protocolo IP. Tamanho do datagrama. Fragmentação. Tempo de vida do pacote. Protocolo usado (TCP ou UDP). Endereços de origem e de destino. Entre outros.
* Área de dados: Temos o pacote gerado pela camada superior, a camada de transporte.
Camada de transporte Transfere de maneira confiável (ou não) dados entre duas máquinas. 2 protocolos definidos: TCP - Protocolo de controle de transmissão confiável. UDP - Protocolo de datagrama do usuário - nãoconfiável.
Aplicações cliente-servidor Softwares. Servidores, ou serviços - Provêm serviços para a rede. No Unix, são os daemons. Clientes - Fazem uso de serviços dados pelos servidores. * Podem haver vários servidores numa máquina só.
Porta de comunicação Aplicação que quer se comunicar com o servidor precisa passar endereço de rede (IP) e também a porta de conexão (no). Cada serviço (servidor) roda numa porta, e vários tem portas padrão já definidas pela especificação do protocolo da camada de sessão. São 16 bits (65536 portas) para cada um dos 2 protocolos de transporte: HTTP - tcp/80
MSN - tcp/1863 IRC - udp/6667
FTP – tcp/20 e 21
NTP - udp/123
SNMP - udp/161
SSH - tcp/22 SMTP - tcp/25
DNS - udp/53 POP - tcp/110
HTTPS - tcp/443 Torrent – tcp/6881 a 6889
Portas de comunicação A porta de destino é definida a priori , mas pode-se ter outros servidores rodando em portas diferentes. O cliente é que deve saber disso. A porta de origem é usada pelo cliente, assim diferentes instâncias podem estar conectados a um mesmo servidor, a partir de um mesmo cliente. As portas de origem usadas são ao acaso, acima de 1024. Existem programas que buscam informações sobre nós, com base nas portas abertas encontradas. Ex.: nmap.
Protocolo TCP Confiável e orientado à conexão. Interface para a aplicação, tornando transparente procedimentos como retransmissão, correção de erros, etc. Alguns dos serviços são: Estabelecimento e liberação de conexões. Transferência de dados. Multiplexação e segmentação Controles de erro e de fluxo.
Protocolo TCP - cabeçalho O cabeçalho agrega informações como: Endereços de origem e destino. Número na sequência; Códigos Urgência no envio; Ack – mensagem recebida; Reset da conexão; Etc.
Tamanho - pode chegar a até 192 bits.
Protocolo UDP Não confiável e não orientado à conexão. Não há garantias da entrega de dados, sequenciação, controles, etc. Mais leve, mais rápido e menos confiável. Cabeçalho resume-se a: Endereços de origem e destino; Tamanho da mensagem; Soma de checagem (que é opcional).
Tamanho - no máximo 64 bits.
Camada de aplicação Aqui temos muitos protocolos que operam usando os protocolos das camadas inferiores (TCP, IP, etc) para prover serviços. DNS – Sistema de Nomes de Domínio IPs são uma maneira eficiente de endereçamento para as redes, mas muito ruim para os usuários. Serviço de DNS - associa um IP a um nome simbólico. O banco de dados de nomes é gerenciado por uma organização em cada país - no Brasil, a FAPESP (http://registro.br).
DNS – nomes hierárquicos Analogia com o sistema postal: Exemplo: lyric.labma.ufrj.br (lyrix incluído em labma, que está incluído em ufrj, que está incluído em br). br - domínio por país. ufrj e labma - sub-domínios. lyric - máquina.
Estrutura hierárquica dos servidores DNS: Máquina pede resolução de nome ao DNS. Se sim, volta o IP. Se não, o DNS pede ao próximo DNS. Pode chegar num dos DNS-raiz da Internet. Se sim, o endereço resolvido volta no sentido contrário. Se não, o DNS propaga uma mensagem de que o endereço não existe.
DNS Comandos para investigar o DNS: nslookup (Windows, Unix), dig, host (Unix).
Opera na porta 53, no protocolo UDP, e é inseguro. Soluções para melhorar a segurança, como: DNSSEC - uso de autenticação e criptografia. DNS reverso - resolve IPs em nomes.
Ataques de envenenamento de cache – o endereço está certo, mas aponta para um IP malicioso.
URL Universal Resource Locator Maneira simples e eficiente de apontar onde está um arquivo (rede ou disco local). Exemplo: ftp://fab:
[email protected]/pub/dados/beltrano.zip 1 2
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6
1)Protocolo: http, ftp, wais, gopher, file, etc. 2)Separador. 3)Usuário 3) Usuário e senha (quando necessário). 4)Nome de domínio 5)Caminho dentro do site 6)Nome do arquivo.
Outros serviços HTTP - Protocolo de transferência de hipertexto - base da Web, junto com a linguagem HTML e os navegadores. Porta TCP 80. FTP - Protocolo de transferência de arquivos - Porta TCP 20 e 21, SSH - Terminal seguro - Porta TCP 22. Outros protocolos: telnet (TCP/23), whois (TCP/43), TFTP (UDP/69), POP3 (TCP/110), NNTP (TCP/119), IMAP (TCP/143), etc.
Todos operam numa arquitetura clienteservidor.
Questões de segurança HTTPS, DNSSEC, SMTPS, POPS, IMAPS, SSH - protocolos que usam cifragem (criptografia) para aumentar a segurança no diálogo cliente-servidor, desmotivando ataques do tipo "homem no meio" (a informação que vai do cliente para o servidor é copiada por um intruso). Uso de criptografia de chave assimétrica: Chave pública fica no cliente, e é usada para cifrar a mensagem. Chave privada fica no servidor, e é usada para descifrar a mensagem.
