RCT - 2011-2 - 19 - Camada de Rede

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ARQUITETURA DE REDES
Camada 3
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Camada 3
Arquitetura de Redes – Camada de Rede
A camada de rede está relacionada com a transferência de pacotes da 
origem para o destino, o que pode exigir vários saltos entre 
roteadores intermediários.
Desta forma a camada de rede deve conhecer a topologia da sub–
rede de comunicação e escolher os caminhos mais apropriados 
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rede de comunicação e escolher os caminhos mais apropriados 
através dela.
A camada de rede deve também escolher as rotas escolher as rotas 
menos sobrecarregadas.
Arquitetura de Redes – Camada de Rede
O serviço oferecido pela camada de rede pode ter duas naturezas:
Serviço orientado a conexões e Serviço sem conexões.
Serviço orientado a conexõesconexões (circuito(circuito virtual)virtual)
Se baseia no serviço telefônico e acontece em 3 etapas:
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Se baseia no serviço telefônico e acontece em 3 etapas:
•• EstabelecimentoEstabelecimento dada conexãoconexão: o remetente contata a camada de rede,
especifica o endereço do receptor e espera até a rede estabelecer o
Circuito Virtual. É determinado um caminho desde o transmissor até
o receptor, que será mantido até o final da transmissão.
•• TransferênciaTransferência dede dadosdados: Estabelecido o CV, os dados podem fluir
através dele.
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EncerramentoEncerramento dada conexãoconexão: O transmissor ou o receptor informa a
camada de rede que deseja encerrar a transmissão. A camada de rede
informa então à outra ponta e atualiza as tabelas de roteamento,
desfazendo o CV.
As redes ATM, frame relay e X.25 utilizam este tipo de serviço
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Serviço sem conexõesconexões (Datagrama)(Datagrama)
É análogo ao sistema postal. Cada pacote carrega o endereço de
destino completo e é encaminhado através da rede,
independentemente de todos os outros. É possível que a ordem de
chegada dos pacotes seja diferente da ordem de envio, devido aos
diversos caminhos que eles podem percorrer na rede. É o tipo de
serviço utilizado na Internet.
Arquitetura de Redes – Camada de Rede
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Arquitetura de Redes – Camada de Rede
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Arquitetura de Redes – Camada de Rede
Questão Datagramas Circuitos Virtuais
Configuração de circuitos Não há Obrigatória
Endereçamento Cada pacote contém o endereço completo de origem e destino Cada pacote contém um número de CV curto
Roteamento Cada pacote é roteado separadamente Rota escolhida no estabelecimento do CV. Todos os pacotes seguem esta rota
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Roteamento Cada pacote é roteado separadamente Rota escolhida no estabelecimento do CV. Todos os pacotes seguem esta rota
Efeito de falahas no roteador Somente a perda de pacotes Todos os CVs que passam pelo roteador com falha são encerrados
Qualidade de serviço Difícil Fácil, se os recursos forem alocados antecipadamente
Controle de congestionamento Difícil Fácil, se os recursos forem alocados antecipadamente
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Algoritmos de Roteamento
A principal função da camada de rede é rotear os pacotes de dados da
máquina de origem até a máquina de destino.
Na maioria das sub-redes, os pacotes passarão por vários hops
(saltos entre roteadores) para percorrer este trajeto.
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Os algoritmos de roteamento são parte do software de camada de
rede responsável por escolher a linha de saída que será usada para
encaminhar cada pacote recebido.
No caso de uma rede de datagramas, esta decisão será tomada para
cada pacote, individualmente.
No caso de uma rede de circuitos virtuais, esta decisão será tomada
apenas no estabelecimento de um novo CV.
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Os algoritmos de roteamento podem ser divididos em dois tipos
principais: Algoritmos não adaptativos ou estáticos, e algoritmos
adaptativos, ou dinâmicos.
Os algoritmos estáticos não usam parâmetros variáveis da rede para
sua decisão de roteamento. Em vez disso, a escolha das rotas é feita
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sua decisão de roteamento. Em vez disso, a escolha das rotas é feita
off-line e depois transferida para o roteador, normalmente através da
atualização manual de uma tabela de roteamento.
Os algoritmos dinâmicos, por sua vez, utilizam informações de
topologia e de tráfego da rede para tomar as decisões de roteamento.
Estas decisões mudam para refletir mudanças na rede.
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Vamos examinar alguns exemplos de algoritmos de
roteamento normalmente utilizados:
Roteamento pelo caminho mais curto
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A idéia principal vinculada ao roteamento numa rede de
dados é a escolha do caminho mais curto entre dois pontos
desta rede. Entretanto o conceito de caminho mais curto
pode ser analisado sob diversos aspectos. Um das unidades
que podem ser utilizadas é o número de hops (enlaces) que
deverão ser percorridos no trajeto. Por este critério, os
caminhos ABC e ABE da figura serão iguais.
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Entretanto, pode-se utilizar a distância em metros ou quilômetros que
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Entretanto, pode-se utilizar a distância em metros ou quilômetros que
separa os dois pontos. Neste caso, o caminho ABE é obviamente
mais longo que ABC.
Outras medidas também podem ser utilizadas para a escolha do
melhor caminho. Pode-se utilizar, por exemplo, o critério do
caminho mais rápido, com base em dados obtidos em transmissões
de pacotes de teste, efetuadas a cada determinado
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espaço de tempo , ou o tamanho da fila de pacotes armazenados em
um determinado roteador.
Outro critério que pode ser usado é o custo de comunicação de cada
um dos enlaces, ou ainda uma combinação de diversos critérios,
atribuindo a cada um deles uma ponderação (peso).
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Os algoritmos de roteamento mais utilizados atualmente são
normalmente os do tipo dinâmico, pois estes levam em conta a carga
momentânea da rede, otimizando assim sua utilização.
Os dois algoritmos mais conhecidos são o algoritmo de roteamento
com vetor de distância, e o algoritmo de roteamento por estado
de enlace, descritos a seguir.
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Roteamento com vetor de distância
Neste tipo de algoritmo cada roteador tem uma tabela que fornece a
melhor distância conhecida até cada um dos destinos da rede, e qual
linha de saída deve ser utilizada. Esta tabela é atualizada através da
troca de informações com os roteadores vizinhos.
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troca de informações com os roteadores vizinhos.
Este algoritmo é conhecido também como algoritmo de Bellman-
Ford, e é utilizado na Internet (nos protocolos BGP, IPX, etc) sob o
nome de RIP.
Cada roteador da rede calcula o melhor caminho até os demais
roteadores e repassa este vetor de valores aos roteadores vizinhos,
que refazem seus próprios cálculos com base nas informações
recebidas.
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Algoritmo de roteamento com vetor de distância - exemplo de
tabela de roteamento e de cálculo de melhor caminho para uma rede
simplificada de 3 pontos.
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Inicial Recebe de B Nova tabela de A
De A De B De A
Para Para Para
A - A 1 A -
B 1 B - B 1
C 3 C 1 C 2
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Algoritmo de roteamento por estado de enlace
Neste algoritmo os roteadores reconhecem seus vizinhos,
medem o retardo ou custo até cada um deles, e criam um
pacote com estas informações que é distribuído para todos
os roteadores da rede, através de um broadcast. Desta
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os roteadores da rede, através de um broadcast. Desta
forma, todos os roteadores possuem as informações totais
de todas as rotas existentes.
Estes cálculos são refeitos a determinados intervalos de
tempo, ou sempre que ocorrer alguma mudança
significativa na rede, como queda de algum enlace ou
mudança de topologia.
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Roteamento Hierárquico
Com o aumento do tamanho das redes, e a interconexão de várias
redes diferentes, as tabelas dos roteadores tem de crescer
exponencialmente, assim como a necessidade de processamento das
CPUs. A partir de um certo tamanho, fica inviável ter tabelas de
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CPUs. A partir de um certo tamanho, fica inviável ter tabelas de
roteamento que comportemas informações de todos os outros pontos
da rede.
Neste caso, é necessário criar um sistema de roteamento hierárquico,
como o existente nas redes telefônicas.
Assim os roteadores são divididos em regiões, também chamadas de
sistemas autônomos ou AS (autonomous systems), sendo que cada
roteador conhece os detalhes dos demais roteadores da sua região,
mas não das demais regiões.
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Alguns roteadores são especializados em rotear o tráfego entre as
regiões ou Ass , conforme exemplo abaixo.
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Algoritmos de Controle de Congestionamento
Quando há um número excessivo de pacotes em uma sub-rede, ou
em alguma parte dela, seu desempenho diminui. A isto chamamos de
congestionamento. Quando a capacidade de transporte da rede é
respeitada, praticamente todos os pacotes são entregues ao destino,
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respeitada, praticamente todos os pacotes são entregues ao destino,
excetuando-se os que sofreram erros de transmissão. À medida que o
tráfego aumenta muito, os roteadores não conseguem suportá-lo e
começam a perder pacotes, até que o sistema entra em colapso e
quase a totalidade de pacotes é perdida.
Esse congestionamento pode ser causado pelo consumo de todo
espaço de memória dos buffers dos roteadores, ou pela exaustão dos
recursos de processamento das CPUs, bem como
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Algoritmos de Controle de Congestionamento
pelo consumo total da largura de banda das linhas.
Um método utilizado para reduzir o congestionamento em redes de
circuitos virtuais é o controle de admissão. Uma vez detectado um
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circuitos virtuais é o controle de admissão. Uma vez detectado um
congestionamento, impede-se a criação de qualquer novo CV até que
a situação tenha se normalizado. Outra estratégia é criar os novos
CVs utilizando rotas que evitem a região congestionada.
Um método que evita grande parte dos problemas de
congestionamento é reservar os recursos de espaço em buffers,
largura de banda nos enlaces, etc para cada novo CV, de maneira que
a disponibilidade total de recursos nunca seja
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ultrapassada.
Nas redes de datagramas existem algumas estratégias para o controle
de congestionamento. Elas basicamente consistem em monitorar as
linhas de saída de cada roteador e informar aos transmissores param
diminuírem a velocidade de envio de pacotes que utilizem estas
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diminuírem a velocidade de envio de pacotes que utilizem estas
linhas.
Quando nenhum dos métodos utilizados resolve a situação de
congestionamento, os roteadores utilizam uma medida extrema: o
escoamento de carga, que consiste em descartar pacotes de dados,
obedecendo a certos critérios, como por exemplo a prioridade de
certos pacotes, ou a largura de banda contratada.
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Controle de flutuação (jitter)
Para algumas aplicações, mais importante que o tempo de retardo
dos pacotes na rede é a variação deste tempo. Esta variação é
chamada de flutuação, ou jitter. Uma das formas de controlar esta
flutuação é realizar a cada enlace uma verificação do tempo de
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flutuação é realizar a cada enlace uma verificação do tempo de
trânsito dos pacotes, retendo certo tempo os pacotes adiantados e
priorizando o envio de pacotes atrasados.
Estes cálculos são feitos com base numa estimativa de tempo
esperado para o trânsito de cada pacote.
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Qualidade de serviço (QoS)
Com o crescimento do tráfego multimídia nas redes, verificou-se a
necessidade de implementar medidas mais efetivas para garantir a
qualidade do serviço de transferência de dados, de acordo com as
necessidades de cada tipo de aplicação. Por exemplo, uma aplicação
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necessidades de cada tipo de aplicação. Por exemplo, uma aplicação
de correio eletrônico precisa ter alta confiabilidade, porém é bastante
tolerante a retardo na rede e a flutuação.
Já as aplicações de voz ou vídeo são mais tolerantes no quesito
confiabilidade, porém não admitem um grande retardo ou flutuação.
Diferentes técnicas são empregadas com o intuito de garantir a
qualidade de serviço, dependendo do tipo de rede em questão.
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Uma das técnicas adotadas é a classificação dos pacotes, e seu
encaminhamento na rede, segundo classes de serviços diferenciados.
Existem várias denominações para este tipo de roteamento, sendo
uma das mais utilizadas, a conhecida como MPLS (MultiProtocol
Label Switching).
Os pacotes oriundos de aplicações com maiores necessidades em
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Os pacotes oriundos de aplicações com maiores necessidades em
relação à qualidade de serviço são “etiquetados” como prioritários,
recebendo um tratamento diferenciado na rede, enquanto os pacotes
provenientes de aplicações menos sensíveis são candidatos naturais a
maiores atrasos ou descartes em caso de congestionamento severo.
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A Camada de Rede na Internet
A Internet é vista pela camada de rede como um conjunto 
de redes ou de Autonomous Systems, conectados entre si.
Existem diversos backbones principais, formados por 
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Existem diversos backbones principais, formados por 
linhas de grande largura de banda e roteadores muito 
rápidos.
Conectados a estes backbones estão as redes de nível 
médio e, conectadas a estas, as redes dos provedores de 
serviço e das empresas e universidades, como 
exemplificado na figura a seguir:
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Arquitetura de Redes – Camada de Rede
O protocolo que mantém a Internet unida é o IP, que pertence à
camada de rede. Ele foi projetado justamente para trabalhar num
ambiente composto por diversas redes diferentes.
O Protocolo IP é baseado em datagramas.
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Estes datagramas são montados e transmitidos pela Internet, podendo
ser fragmentado em unidades pequenas. Quando são recebidos, a
camada de rede remonta o datagrama original e o repassa à camada
de transporte.
Cada datagrama pode, teoricamente, ter até 64kbytes. Na pratica,
porém, geralmente cada datagrama possui no máximo 1500 bytes,
sendo muitas vezes limitado a 576 bytes.
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Isto é feito para que o datagrama caiba num quadro da camada de
enlace, evitando sua fragmentação.
No caso das redes Ethernet, o quadro está limitado a 1500 bytes. Este
limite é chamado de MTU (maximum transfer unit).
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O datagrama IP, que será estudado em detalhes juntamente com o
modelo TCP/IP, é representado na figura seguinte.
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Arquitetura de Redes – Camada de Rede
O campo Version indica a versão do protocolo IP. Atualmente está
ocorrendo a transição entre o IPv4 e o IPv6. Esta nova versão do
protocolo foi desenvolvida pelo Internet Engineering Task Force -
IETF a fim de corrigir alguns problemas encontrados na versão
anterior.
Um dos principais é a questão da limitação de endereços IP
disponíveis.
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disponíveis.
O IPv4 utiliza um formato de endereço com 4 bytes ou octetos, o que
perfaz um total de 32 bits.
O IPv6 utiliza um endereçamento de 16 bytes (128 bits), o que torna
a quantidade de endereços disponíveis quase que inesgotável.
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Com o endereçamento de 32 bits são disponíveis mais de 4 bilhões
de endereços diferentes. Entretanto, como os endereços são
organizados por classes, como veremos mais adiante, milhões deles
são desperdiçados.
Esta situação torna-se mais preocupante com o crescimento
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Esta situação torna-se mais preocupante com o crescimento
exponencial do uso da Internet.
Uma parte deste crescimento pode ser observada no gráfico a seguir,
que mostra o aumento do números de hosts conectados à Internet no
Brasil
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Arquitetura de Redes – Camada de Rede
Atualmente é previsto pelos órgãos competentes o esgotamento total
dos endereços IP disponíveis para algum momento entre os anos de
2012 e 2014.
O sistema de endereçamento de 128bits do IPv6 resulta em umaquantidade total de 3,4x1038 endereços diferentes disponíveis.
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quantidade total de 3,4x1038 endereços diferentes disponíveis.
Este número corresponde a aproximadamente 7x1023 endereços IP
por m2 da superfície terrestre, ou a mais de 5x1028 endereços por
habitante terrestre.
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Além do IP, que um protocolo de transferência de dados, a Internet
tem outros protocolos de camada de rede, utilizados para controle.
Alguns destes protocolos são: ICMP, ARP, DHCP.
ICMP (Internet Control Message Protocol)
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A operação de rede da Internet é constantemente monitorada pelos
roteadores. Quando ocorre algum problema, ele é reportado pelo
roteador que o verificou através do protocolo ICMP. As mensagens
ICMP são padronizadas e ocupam um lugar na porção de dados do
pacote IP. As principais mensagens ICMP são descritas a seguir:
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(Cabeçalho inválido)
(pacote regulador de fluxo)
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ARP (Address Resolution Protocol)
Quando um host precisa enviar uma mensagem a outra máquina
conectada na mesma rede local, é preciso converter o endereço IP do
destino em um endereço físico da rede local (por exemplo o endereço
Ethernet de 48 bits). O protocolo ARP permite encontrar o endereço
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Ethernet de 48 bits). O protocolo ARP permite encontrar o endereço
físico de um host a partir de um endereço IP.
Isto é feito enviando um pacote de difusão (broadcast) para todas as
máquinas da rede local perguntando a qual delas pertence um
determinado endereço IP. Cada maquina verifica se o endereço
questionado é o seu e, em caso positivo, envia de volta a confirmação
com seu endereço físico. A figura a seguir representa este
procedimento:
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