Aula 4 - Comunicação e protocolos de rede

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Comunicação e protocolos de rede
Regras de comunicação
Toda comunicação está baseada em regras:
· O engajamento de duas partes é uma dessas regras de comunicação.
· Estabelecer um começo é uma regra importante.
· Definição de contexto para reconhecimento das mensagens é outra regra da comunicação.
· O uso de uma mesma linguagem compreendida por ambas as partes é outra regra.
· Também é uma regra finalizar o processo de comunicação, sinalizando êxito ou fracasso para ambas as partes.
A comunicação entre pessoas serve para exemplificar o conjunto de regras básicas de comunicação entre computadores, denominado protocolo de comunicação.
Elementos de um protocolo de comunicação: 
· Objetivo: O objetivo da comunicação é apresentado como um serviço específico de rede. Os protocolos são classificados segundo o serviço prestado aos nós da rede, por exemplo, para transferência de arquivos, transferência de páginas web, envio de e-mails.
· Meio de comunicação: O meio determina muitas características do protocolo de comunicação. Enquanto na comunicação ponto a ponto toda a mensagem enviada por um nó é recebida necessariamente pelo outro, por exemplo, na comunicação em uma rede de barramento é preciso haver inicialmente uma fase de reconhecimento se a mensagem é endereçada para si ou para um outro nó da rede.
· Contexto: O contexto deve ser alinhado entre os nós da rede para que a comunicação possa ocorrer. Uma falha comum de comunicação chamada de deadlock (impasse) ocorre quando dois nós da rede assumem contextos opostos, cada um esperando que o outro envie uma mensagem, impedindo o funcionamento da rede.
· Linguagem: A linguagem usada na comunicação deve ser de conhecimento de todos os nós. Ela define um vocabulário, composto por símbolos, que são reconhecidos por todos os nós. Esses símbolos podem ter, por exemplo, o tamanho de 4 bits, 8 bits (1 byte) ou 16 bits. O meio de comunicação pode influenciar a escolha dos símbolos, tirando proveito da capacidade de reconhecer erros de comunicação ou agilizar o processamento das mensagens.
· Sinalização: As sinalizações são mensagens especiais trocadas entre os nós da rede, que são usadas para controle do fluxo da comunicação ou alinhamento do contexto dos nós. Por exemplo, um nó que esteja enviando mensagens com um tamanho superior ao da capacidade de comunicação da rede pode receber uma mensagem de sinalização informando que precisa reduzir o tamanho.
· Mensagem: A estrutura da mensagem está relacionada com campos de ordenação dos símbolos e respectivos significados. Uma mensagem-padrão, por exemplo, pode conter um campo de cabeçalho (header) que qualifica a mensagem, um corpo contendo os dados da aplicação que estão sendo transmitidos (payload), seguido de um sinalizador de final da mensagem (trailer). O cabeçalho, por sua vez, pode ser subdividido em 4 bits de identificação do protocolo, 4 bits de declaração da prioridade de tratamento da mensagem e 16 bits para informação do tamanho do corpo de dados enviado em cada mensagem, por exemplo.
O acesso ao meio é uma etapa importante no processo de comunicação. O controle de acesso pode ser centralizado ou distribuído. Por exemplo, em redes wireless – que utilizam ondas de rádio como meio de comunicação –, caso dois nós enviem simultaneamente suas mensagens na rede, o sinal eletromagnético de uma mensagem vai interferir e corromper a outra mensagem. Isso também ocorre com redes que utilizam cabo coaxial. O protocolo deve estabelecer regras para detecção e correção de colisões de mensagens na rede. Para garantir a segurança da comunicação, o acesso à rede pode exigir a identificação do nó e a respectiva autorização de acesso, como no caso de redes Wi-Fi.
Falhas na sincronização do contexto da comunicação também acarretam a redução do desempenho das redes, quando não ocasionam uma parada total do seu funcionamento. Um protocolo deve estabelecer regras de sincronização regular do contexto dos nós da rede, definindo o envio de pacotes de sincronização em intervalos regulares, quando não houver dados para serem transmitidos.
As regras do protocolo para composição de mensagens também de- vem endereçar questões práticas de funcionamento das redes. A mensagem de comunicação enviada por um nó de origem ao nó de destino pode ter de passar por diversas outras redes, com tecnologias e capacidades distintas. Quando o tamanho dos dados a serem transmitidos por um nó for maior que a capacidade de transmissão da rede intermediária com maior restrição no tamanho da mensagem, o protocolo precisa estabelecer regras de como esses dados serão segmentados, enviados em diversas mensagens e reconstituídos sem erro no nó de destino:
			 	Fragmentação de pacotes
O tempo máximo de transmissão de cada pacote é outro fator importante endereçado por um protocolo. Ele compreende o tempo decorrido desde o envio do primeiro bit do pacote de dados pelo nó de origem até o recebimento do último bit do pacote pelo nó de destino. Aplicações em tempo real ou que envolvam comunicação de sons e imagens são particularmente sensíveis a tempos máximos de transmissão de dados. Em aplicativos de comunicação de voz, por exemplo, o tempo máximo de atraso na comunicação é de 150 ms, prejudicando a experiência do usuário caso fique acima desse valor (CISCO, 2006). Para limitar o tempo máximo de comunicação, o protocolo deve oferecer recursos para sinalizar que determinados pacotes de dados possuem um nível de prioridade maior de comunicação e devem, portanto, ser tratados antes dos demais.
O controle dinâmico de fluxo das mensagens também é um ponto relevante. Problemas de fluxo de mensagens podem acarretar congestionamento em nós usados na interligação das redes, perda frequente de mensagens, duplicação de mensagens e falha permanente de operação de nós da rede.
O controle das operações da rede precisa ser considerado no momento de definição de um novo protocolo. O operador da rede deve ser capaz de controlar quais nós estarão conectados e quais serão desligados da rede, por exemplo, definir parâmetros operacionais de tamanho máximo e prioridade de mensagens, tipos de serviços de rede permitidos ou níveis de segurança de proteção de determinados fluxos de mensagens na rede. Ainda é importante que ele seja capaz de monitorar o tráfego de mensagens e registrar informações operacionais para análise de desempenho e segurança da rede.
O protocolo SNMP (simple network management protocol) é usado especificamente para gerenciamento de dispositivos de rede (KUROSE; ROSS, 2013). Ele se baseia num modelo cliente-servidor. O servidor SNMP comunica-se com os agentes (clientes) SNMP para atualização de bases de dados de configuração e registros operacionais, chamadas de MIB (management information base). Cada agente sendo executado num dispositivo gerenciado, como um roteador ou switch, passa a operar seguindo os parâmetros estabelecidos pelo servidor. Registros operacionais, como taxas de comunicação e número de pacotes corrompidos, são atualizados nas bases de dados dos agentes e, depois, transferidos para a base de dados do servidor.
Arquitetura SNMP de gerenciamento de rede
Padrões e protocolos de rede
O estabelecimento de padrões para definição e implementação de protocolos de comunicação sempre foi um fator essencial para o sucesso da tecnologia de redes de computadores. Os padrões possibilitaram a formação e a sustentação de um mercado aberto e competitivo, composto por diferentes fabricantes de equipamentos, desenvolvedores de software, agências reguladoras e prestadores de serviços, assegurando interoperabilidade ( é a capacidade de um equipamento, como um roteador, comunicar-se com outro de mesma funcionalidade ainda que sejam fornecidos por fabricantes diferentes, desde que implementem protocolos de comunicação compatíveis)entre sistemas comercializados no mercado.
Diversas organizações participam do esforço de criação e aperfeiçoamento de protocolos de comunicação:
· ISO (International Organization for Standardization): Congrega comitês internacionaisde criação de padrões de diferentes países.
· ITU (International Telecommunication Union): Seu comitê ITU-T (Telecommunication Standardization Sector) dedica-se à pesquisa e à definição de padrões de telecomunicação relacionados a dados e voz.
· Ansi (American National Standards Institute): É uma entidade privada sem fins lucrativos, que opera com o apoio do governo americano.
· EIA (Electronic Industries Association): Entidade sem fins lucrativos, com esforços orientados à solução de questões de implementação de equipamentos eletrônicos, especialmente no que se refere a conectores de interfaces no meio físico e especificação de esquemas de codificação de sinais elétricos, usados em comunicação de dados.
· Nist (National Institute of Standards and Technology): Órgão ligado ao Departamento de Comércio do governo americano que desenvolve e dá suporte à adoção de padrões de computação, comunicação de dados e gestão de sistemas de TIC (tecnologia da informação e comunicação de dados), endereçando particularmente questões de segurança da informação, gestão de identidades e gestão de redes.
· IETF (Internet Engineering Task Force ) [2]: Órgão internacional aberto, que recebe apoio da Internet Society, mundialmente conhecido pelo desenvolvimento da família de protocolos TCP/IP e pela administração da base de conhecimento formada por documentos RFC (request for comments), que são elaborados por membros da comunidade científica internacional endereçando questões técnicas e relevantes da internet.
· W3C (World Wide Web Consortium): É uma organização aberta que desenvolve padrões internacionais para a internet (world wide web), além de operar como fórum para discussões técnicas, implementar ações educacionais e elaborar softwares para aplicação na área.
· IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers): É a maior sociedade mundial de profissionais de engenharia, cujo esforço concentra-se no desenvolvimento teórico e na elevação da qualidade de produtos nas áreas de engenharia elétrica, eletrônica e radiocomunicação, promovendo inclusive o desenvolvimento de padrões internacionais de computação e comunicação de dados.
O comitê de trabalho 802 do IEEE ganhou grande visibilidade mundial ao definir a família 802.x de protocolos de LAN. O quadro 2 relaciona algumas das normas mais conhecidas.
	NÚMERO
	PROTOCOLOS
	802.3
	Ethernet
	802.11
	Wireless LAN (Wi-Fi)
	802.15
	Wireless PAN (Bluetooth, Zigbee)
Cinco características principais de um protocolo de sucesso (HOLZMANN, 1991):
· Simplicidade: o protocolo deve ser estruturado a partir de blocos funcionais bem compreendidos e projetados.
· Modularidade: protocolos que desenvolvem tarefas complexas devem se decompostos em módulos menores, com interfaces claramente especificadas.
· Boa formação: um protocolo com boa formação deve conter especificações e códigos completos, necessários e suficientes para a sua operação.
· Robustez: o protocolo deve operar em diferentes situações, como de alto e baixo tráfego de pacotes, ou distintas tecnologias de implementação, por exemplo, o que geralmente é obtido reduzindo as funcionalidades durante o projeto a um conjunto mínimo necessário que gere real valor para os usuários da rede.
· Consistência: o protocolo deve implementar também táticas para autoidentificação e autorrecuperarão de erros de comunicação, como travamentos (deadlocks), repetições indefinidas (livelocks) e finalizações impróprias.
Transferência de dados
Sinais elétricos em cabos ou ondas de rádio que se propagam no ar e que são convertidos em bits 0 e 1 pelas interfaces de rede. Após a conversão, eles são interpretados na forma de símbolos e caracteres para então formarem campos de mensagens trocadas seguindo as regras estabelecidas por cada protocolo. Por fim, eles são convertidos em mensagens enviadas e recebidas pela camada de aplicação das pilhas de protocolos de rede.
Níveis de abstração de um pacote de rede
Também é possível estudar como os dados de aplicação vão sendo encapsulados em cada uma das camadas do protocolo TCP/IP até se consolidarem num conjunto de bits (frame) a ser enviado pela rede. A cada passagem de uma camada para outra, os dados vão recebendo um header de identificação específico da camada até chegar à camada física, na qual, além do header de LAN, também recebe um adendo chamado de trailer de LAN, que marca o final do frame.
 Encapsulamento de dados pelo fluxo das camadas das pilhas de protocolos
Ao descer ou subir nas camadas da pilha de protocolo TCP/IP, a mensagem original vai ganhando ou perdendo headers, até ser entregue à aplicação do nó de destino. Ao passar por um switch, o frame é copiado de uma interface para outra e segue o seu caminho. Já quando passa por um roteador, o frame é convertido para datagrama IP na camada de rede. Então é analisado, recebe um header de LAN e é enviado pela rede até alcançar o nó de destino, no qual o frame é convertido em datagrama IP, depois em segmento de transporte e finalmente em uma mensagem, que é entregue à aplicação sendo executada no computador de destino.
Tráfego de pacotes pelas pilhas de protocolos na rede
Ou, ainda, acompanhar o tráfego concorrente de datagramas IP por diferentes rotas, links e nós intermediários, até alcançarem o nó de destino e serem reconstituídos na ordem inicial. Cada pacote pode seguir uma rota distinta, definida tanto com base em critérios locais, como tráfego e falhas nos links de comunicação, quanto critérios predefinidos de configuração da rede, como velocidade dos links de comunicação, prioridade de determinados tipos de pacote e custo associado à transmissão de cada pacote no link.
Serviço de transporte de datagramas por uma rede em malha.
Protocolo TPC
WEB