Aula 1 - Fundamentos e Troubleshooting de Redes de Computadores

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Gerência e Análise de Redes
Aula 1 - Fundamentos e troubleshooting de redes de
computadores
INTRODUÇÃO
Nesta aula, você revisará a arquitetura de redes TCP/IP, pois trata-se de um requisito primordial para aqueles que pretendem realizar gerenciamento e
análise de redes de computadores.
Em seguida, estudará as motivações por trás desse gerenciamento e análise de redes e verá também uma analogia e um cenário próximo ao real
para amparar a discussão sobre a motivação. Por �m, analisará os conceitos gerais de monitoramento e medição de tráfego.
Bons estudos!
OBJETIVOS
Construir uma visão geral da arquitetura TCP/IP;
De�nir motivação para o gerenciamento e análise de redes;
Analisar os conceitos gerais de monitoramento e medição de tráfego.
A EFICIENTE ORGANIZAÇÃO EM CAMADAS
Fonte da Imagem: Winui / Shutterstock
A internet é um sistema extremamente complicado e possui muitos componentes. Para prover uma estrutura organizada para o estudo, projeto,
desenvolvimento, gerência e análise de redes de computadores, os projetistas de redes organizam protocolos — e o hardware e o software de rede
que os executam ― em camadas. Assim, cada protocolo pertence a uma das camadas.
Percebemos, então, que os sistemas de camadas têm vantagens conceituais e estruturais. Além de proporcionar um modo estruturado para o
estudo e a discussão, facilita a atualização dos componentes do sistema, e a complexidade do sistema como um todo se torna mais tratável. De
maneira geral, o modelo em camadas segue a tática de “dividir para conquistar”.
Para manter um sistema tão complexo em funcionamento, o administrador de rede deve monitorar, analisar, controlar ativamente e pró-ativamente
sua rede. Felizmente, existem sistemas disponíveis para auxiliar o administrador de rede nessas tarefas, incluindo alarmes que disparam quando os
parâmetros da rede saem daquilo que é esperado.
MODELO TCP / IP
O Modelo TCP (glossário) / IP (glossário) de camadas talvez seja o mais difundido exemplo de de�nição de um modelo de camadas baseado no OSI,
mas com algumas simpli�cações. Ele possui cinco camadas:
Atenção!
, Alguns autores representam o modelo TCP/IP como tendo 4 camadas. A diferença é que esses autores consideram que a camada de “Enlace” e “Física” são
agrupadas na camada “Acesso à rede”. Ambas as abordagens são consideradas corretas.
NÍVEL FÍSICO OU CAMADA FÍSICA
O nível físico ou camada física tem a função primordial de representar a informação (bits) em um meio de transmissão de�nido. Para que essa
função primordial seja alcançada, os seguintes serviços são fornecidos pela camada física:
CODIFICAÇÃO DE DADOS
Alterar o padrão de sinal digital entre dois estados que representam 1s e 0s.
A codi�cação, em geral, envolve robustos métodos matemáticos que buscam acomodar o método de codi�cação escolhido às características do meio físico a ser
usado.
Essa codi�cação pode ser dividida em subserviços de acordo com algumas questões, como:
Qual estado de sinal representa o 1 binário?
Qual estado de sinal representa o 0 binário?
Como a estação de recepção sabe quando um “tempo de bit” começa?
Como a estação de recepção delimita um quadro?
CONEXÃO DO MEIO FÍSICO
Conexão do meio físico, englobando várias opções de meio físico:
Um transceptor externo será usado para a conexão com o meio?
Quantos pinos têm os conectores e para que serve cada um deles?
TÉCNICA DE TRANSMISSÃO
Determina se os bits codi�cados serão transmitidos por sinalização digital ou analógica.
TRANSMISSÃO NO MEIO FÍSICO
Determina quais meios físicos podem ser usados (cobre, �bra, ar);
Veri�ca quantos volts/dB devem ser usados para representar um determinado estado de sinal, dado o meio físico escolhido.
Para que a camada de enlace usa os serviços da camada física?
A camada de enlace de dados usa os serviços da camada física e a incrementa, implementando seu objetivo fundamental: a transmissão de unidades de dados
entre dois nós (como as interfaces de rede) adjacentes/vizinhas.
Para realizar essa função, a camada de enlace pode fornecer os serviços de:
Enquadramento/delimitação de quadros;
Estabelecimento e fechamento de conexão;
Detecção de erros (troca de bits);
Controle de acesso ao meio;
Transmissão con�ável (garantia de entrega).
OBSTÁCULOS
Nem todos os serviços da camada de enlace são implementados por todos os padrões/protocolos de camada de enlace. A escolha de qual serviço
será implementado depende das necessidades/limitações do meio físico envolvido na camada física.
Considerando uma rede hipotética que implementa apenas as camadas física e de enlace, então seria hipoteticamente possível realizar a
comunicação de dados entre dois nós adjacentes vizinhos. Entretanto, redes de comunicação são bem mais complexas e envolvem, por exemplo,
uma malha de roteadores que servem de infraestrutura de comunicação entre nós não adjacentes, ou seja, nós remotos, como mostrado na �gura a
seguir.
CONTORNO DOS OBSTÁCULOS
ROTEAMENTO
Para de�nir algoritmos e protocolos de roteamento capazes de escolher, dentre as várias opções de caminho até o destino, o caminho mais
e�ciente.
CONTROLE DE CONGESTIONAMENTO
Em algumas tecnologias de camada de rede, os roteadores podem contribuir com um host transmissor, solicitando diminuição da taxa de
transmissão para que não haja sobrecarga nas �las (buffers) dos roteadores.
ESTABELECIMENTO / FECHAMENTO DE CONEXÃO
Em alguns padrões de camada de rede, os roteadores participam do estabelecimento de um caminho �xo e da reserva de recursos para uma sessão
solicitada pelo host remetente.
FRAGMENTAÇÃO
Se a camada de rede de um roteador notar que o tamanho máximo de pacotes permitidos no próximo enlace de comunicação é menor do que o
tamanho do pacote atual, então, o pacote será fragmentado para respeitar a limitação em questão.
CONTABILIDADE DE USO DA REDE
Algumas tecnologias de camada de rede têm funções de contabilidade para manter o controle dos quadros encaminhados por sistemas
intermediários da rede, para produzir informações de cobranças.
Infraestrutura de comunicação
Note, na �gura analisada anteriormente, que a infraestrutura formada pelas três primeiras camadas (física, enlace e rede) forma o arcabouço necessário para uma
infraestrutura de comunicação de dados funcional.
Em outras palavras, os roteadores que formam a infraestrutura de comunicação de grandes redes, como a internet, implementam os serviços de três camadas:
física, enlace e de rede.
Entretanto, quando se trata da troca de dados entre dois aplicativos quaisquer rodando em hosts remotos diferentes, o conjunto formado pelas três primeiras
camadas não é capaz de vencer todos os desa�os impostos à comunicação �m a �m (aplicativo a aplicativo, processo a processo).
Exemplo:
, Um hosts pode rodar mais de um aplicativo simultaneamente. Ao receber dados vindos de um host remoto, como o host decidirá para qual dos aplicativos ativos
os dados deverão ser entregues?, , Esse é um desa�o que não é tratado por nenhuma das três camadas já estudadas.
CAMADA DE TRANSPORTE
A Camada de transporte tem o objetivo fundamental de realizar a troca de dados �m a �m (aplicativo a aplicativo). Uma consequência desse objetivo
fundamental é uma característica muito interessante presente na camada de transporte e ausente nas três camadas inferiores (rede, enlace, física).
Veja:
Fonte: donatas1205 / Shutterstock
A camada de transporte é implementada apenas nos sistemas �nais (hosts), ou seja, não é implementada pelos roteadores e comutadores.
Atenção!
, Na �gura que analisamos anteriormente, você pode observar que a camada de transporte está presente apenas nos sistemas �nais.
Para alcançar seu objetivo fundamental, a camada de transporte tem um série de desa�os para contornar. Para isso, os seguintes serviços são
oferecidos:
SEGMENTAÇÃO DE MENSAGENS
Aceitar uma mensagem da camada de sessão;
Dividir essa mensagem em unidades menores;
Adicionar os campos de cabeçalho da camada de transporte;
Transmitir unidades menores para que a camada de rede entregue ao host desejado.
ENTREGACONFIÁVEL
A camada de transporte do host remetente pode manter uma cópia de um segmento enviado e manter uma contagem regressiva para aguardar uma con�rmação,
vinda da camada de transporte do host destino.
Se a con�rmação não chegar a tempo, a cópia do segmento será reenviado e haverá uma nova espera por con�rmação.
Os segmentos recebem, em seu cabeçalho, números de sequência que permitem ao receptor detectar se um segmento recebido é um novo segmento um uma
cópia que foi retransmitida (para o caso de o segmento original ter apenas chegado atrasado, e não ter sido de fato perdido).
CONTROLE DE TRÁFEGO DE MENSAGENS
Neste serviço, a camada de transporte do host destino instrui o host remetente a diminuir sua taxa de transmissão para evitar sobrecarga no buffer de
recebimento.
MULTIPLEXAÇÕES DE SESSÕES
Através dos campos de cabeçalhos da camada de transporte, vários aplicativos em um host remetente podem enviar concomitantemente diferentes �uxos de
dados a diferentes aplicativos remotos. Para a multiplexação de sessões um identi�cador lógico da sessão em questão é inserido no campo de cabeçalho da
camada de transporte.
CAMADA DE APLICAÇÃO
Por �m, temos a camada de aplicação. Nela, qualquer serviço ao usuário �nal é implementado através de aplicativos desenvolvidos pelos
programadores. Veja alguns exemplos comuns de serviços aos usuários:
Fonte: donatas1205 / Shutterstock
Onde é implementada cada camada do modelo TCP/IP e como se dá a comunicação entre camadas?
Essas são dúvidas de muitos estudantes de redes de computadores. Veja a seguir um resumo dessas informações:
Camada Onde é implementada
Aplicação Espaço do usuário (aplicativos)
Transporte Sistema Operacional
Rede Sistema Operacional
Enlace Interfaces (Placas) de Rede
Física Meios físicos (cabo, ar)
Tabela: Onde cada camada do modelo TCP/IP é implementada.
Saiba Mais!
,
A comunicação entre a camada física e a camada de enlace se dá através de comandos de hardware da interface (placa) de rede;
A comunicação entre a camada de enlace e a camada de rede, ou seja, entre a placa de rede e o sistema operacional se dá através de drivers do dispositivo que
são fornecidos pelo fabricante;
Comandos internos do S.O. são usados para a comunicação entre a camada de rede e a camada de transporte;
Quem desenvolve um aplicativo e deseja que a aplicação envie/receba dados pela rede, deve usar uma API (Interface de Programação de Aplicação) de alguma
linguagem de programação para realizar as solicitações ao S.O. e receber as respectivas respostas. Sockets usados pelas linguagens C e C++ e Java são
exemplos dessas APIs.
PRINCIPAIS PROTOCOLOS DE DOMÍNIO PÚBLICO DO MODELO TCP/IP
Na internet, os serviços a serem implementados por cada camada são de�nidos por padrões de domínio público que estão disponíveis através de
documentos chamados RFC (glossário) ( Request For Comments).
O esquema abaixo exempli�ca os principais protocolos de domínio público presentes em cada camada do modelo TCP/IP.
MOTIVAÇÃO PARA O GERENCIAMENTO E ANÁLISE DE REDES
Antes de falarmos especi�camente de rede, vamos analisar uma analogia proposta no livro Redes de Computadores e Internet, de James F. Kurose,
Capítulo 9, 6ª edição. Observe:
Fonte da Imagem: YasnaTen / Shutterstock
Suponha um avião. Este é um sistema extremamente complexo e heterogêneo (sistemas mecânicos, hidráulicos, elétricos, eletrônicos,
computacionais).
Para que o comandante consiga operar com e�ciência este sistema complexo, é necessário uma cabine de comando muito bem equipada com
instrumentos para que o piloto possa monitorar e controlar os mais diversos componentes da aeronave.
Neste exemplo, o “administrador” monitora equipamentos remotos e analisa os dados para garantir que os equipamentos estejam funcionando e
operando dentro dos limites especi�cados. Por exemplo, impedir que o combustível do avião não acabe, que sua rota esteja dentro do esperado, e
que a velocidade de voo não esteja acima dos limites para que a resistência do ar não gere danos estruturais à aeronave, nem abaixo dos limites
para que não haja risco de a aeronave perder a sustentação e começar a cair (stall).
Entre os trabalhos do administrador do voo (o comandante), está controlar reativamente o sistema, realizando ajustes de acordo com as
modi�cações ocorridas no sistema ou na atmosfera, e gerenciar proativamente o sistema, detectando tendências ou comportamentos anômalos
que permitem executar uma ação antes que surjam problemas mais sérios.
Para auxiliar o comandante nesta difícil tarefa, são disponibilizados sistemas de auxílios que disparam alarmes logo que alguma anormalidade é
detectada.
De maneira análoga, o administrador de redes de computadores deve:
Felizmente, assim como no caso do exemplo da aeronave, existem sistemas disponíveis para auxiliar o administrador de rede nestas tarefas,
incluindo alarmes que disparam quando os parâmetros da rede saem daquilo que é esperado. Veja, a seguir, um exemplo de gerenciamento de rede:
CENÁRIOS DE MONITORAÇÃO
DETECÇÃO DE FALHA EM UMA PLACA DE INTERFACE EM UM SERVIDOR OU ROTEADOR
Usando uma ferramenta adequada, um servidor ou roteador pode noti�car o administrador caso uma de suas interfaces falhe.
MONITORAÇÃO DOS HOSTS
Checar se os hosts estão ativos e operacionais.
MONITORAÇÃO DE TRÁFEGO PARA AUXILIAR O OFERECIMENTO DE RECURSOS
Através do monitoramento de tráfego, o administrador pode, por exemplo, detectar que a maior parte das consultas transmitidas a um servidor está
vindo de outra rede. O administrador pode, então, trocar o servidor de rede para que ele esteja mais próximo dos hosts que mais realizam consultas a
ele. Assim, as respostas do servidor chegarão mais rapidamente e os links entre roteadores observarão diminuição de carga.
DETECÇÃO DE MUDANÇAS RÁPIDAS NAS TABELAS DE ROTEAMENTO
Algoritmos de roteamento mal con�gurados podem gerar, por exemplo, alternâncias de rotas para uma mesma rede destino. Seria muito importante
para o administrador ser capaz de notar esta alternância para consertá-la antes que a rede caia.
MONITORAÇÃO DE SLAS
SLAs (Service Level Afreements) ou Acordos de Nível de Serviço são os contratos entre um provedor e um cliente que prevê quando determinados
parâmetros de desempenho estão acima de um limite de�nido. Como o cliente paga por esses acordos, é claro que tem interesse em monitorar as
métricas constantes no contrato a �m de checar sua conformidade. Por exemplo, a vazão, a latência (delay), a fração perda de pacotes e a
ocorrência de interrupções de serviço (quedas do link) podem constar em contratos SLAs e serem monitorados pelo cliente.
DETECÇÃO DE INVASÃO
Qualquer administrador de rede sempre deseja receber noti�cações, caso haja a ocorrência de tráfego suspeito em sua rede.
CONCEITOS GERAIS DE MONITORAMENTO E MEDIÇÃO DE TRÁFEGO
Existe, atualmente, um modelo padrão para o gerenciamento de rede disponibilizado pela ISO (International Organization for Standardization). A ideia
deste modelo é organizar os possíveis cenários de gerenciamento e análise de redes em um arcabouço melhor estruturado. Observe:
Cenário Breve descrição
Gerenciamento de desempenho Busca quanti�car, medir, informar,
analisar e controlar o desempenho e uma
rede.
Gerenciamento de falhas Detectar, registrar (em logs) e reagir a
falhas.
Gerenciamento de con�guração Permite que se saiba quais dispositivos
fazem parte da rede e quais são as
con�gurações usadas para os hardwares
e softwares.
Gerenciamento de contabilização Permite que o uso de recursos por
usuários seja monitorado para �ns como
cobrança.
Gerenciamento de Segurança Controlar o acesso aos recursos de
acordo com as políticas estabelecidas.
Mas o que eu posso medir em relação ao desempenho de uma rede?
O gerenciamento do desempenho é um tópico especial, dentro dos cenários de�nidos pelo modelo ISO.
A resposta é que existem métricas que comumente são de interesse dos administradores de rede.
Dentre as métricas, destacam-se:
VAZÃO (THROUGHPUT)
Mede a quantidade de bits que passa pelo meio de comunicaçãopor intervalo de tempo.
ATRASO EM UMA DIREÇÃO (ONE-WAY DELAY)
O atraso em uma direção representa o tempo decorrido entre o instante em que o pacote sai do remetente até o momento em que o pacote chega no destinatário
�nal.
ATRASO DE IDA E VOLTA (RTT - ROUND TRIP TIME)
É dado pelo tempo medido desde o momento em que o pacote é transmitido até o momento em que uma resposta é recebida.
VARIAÇÃO DO ATRASO (JITTER)
O jitter é dado pela diferença entre os intervalos de tempo entre transmissões de pacotes no transmissor e o intervalo de tempo entre chegadas de pacotes no
receptor.
FRAÇÃO DE PERDA DE PACOTES (PACKET LOSS RATIO)
Mede a razão entre a quantidade de pacotes que não foram entregues ao receptor dado a quantidade total enviada.
TAMANHO DAS FILAS (QUEUE SIZE)
Esta métrica é importante por duas razões principais. Primeiro porque a medida em que as �las dos roteadores aumentam, o atraso observado (exemplo RTT)
aumenta consideravelmente.
Depois, porque se a �la �ca completamente cheia, não haverá espaço para armazenamento dos pacotes que chegam e eles serão descartados.
TAXA DE COLISÃO (COLLISION RATE)
É o número de colisões que ocorrem em um dado intervalo de tempo.
CARGA/UTILIZAÇÃO DA REDE
Esta métrica apresenta qual é a percentual de tempo em que a rede está em uso dividido pelo tempo total de observação.
PERCENTUAL DE TRÁFEGO POR PROTOCOLO
Esta métrica busca observar qual é a percentual de dados relativos a cada protocolo em relação a todos os dados que passaram pela rede.
PDF
, Para saber mais sobre as métricas que medem o desempenho de uma rede, clique aqui (galeria/aula1/docs/a01_t13.pdf).
https://stecine.azureedge.net/webaula/estacio/gon645/galeria/aula1/docs/a01_t13.pdf
https://stecine.azureedge.net/webaula/estacio/gon645/galeria/aula1/docs/a01_t13.pdf
Chegou a hora de exercitar o que você aprendeu!
Analise os itens abaixo e, em seguida, faça a relação com suas de�nições.
( ) Rede
( ) Enlace
( ) Sistemas operacionais dos
sistemas �nais (hosts).
( ) RTT
1 - É a camada do modelo TCP/IP que possui a função fundamental de transportar unidades
de dados entre interfaces vizinhas/adjacentes.
2 - É a camada do modelo TCP/IP que possui a função fundamental de transporte de dados
hosts a host.
3 - É uma métrica de análise de desempenho de redes de computadores que mede o atraso
de ida e volta.
4 – Local onde são implementadas as camadas de redes e de transporte do modelo TCP/IP.
A sequência correta é:
2 − 1 − 4 − 3
2 – 1 – 3 - 4
1 − 4 − 3 − 2
4 − 2 − 1 − 3
Justi�cativa
Glossário
TCP (TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL)
Protocolo de camada de transporte que garante transmissão con�ável �m a �m.
IP (INTERNET PROTOCOL)
Protocolo de Internet.
RFC (REQUEST FOR COMMENTS)
Documentos de domínio público que de�nem cada padrão/protocolo usado pela Internet. Estes documentos estão gratuitamente disponíveis na internet.