TEMA 8 - Versão para impressão - Camada de Rede_ Roteamento

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Camada de
Rede:
Roteamento
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Apresentação 
Na Unidade de Aprendizagem anterior, você estudou
uma das funções mais importantes da camada de rede: o
endereçamento. Nesta unidade, você estudará o outro,
que é o roteamento. Juntos, esses dois itens –
endereçamento e roteamento – cuidam para que a
informação possa trafegar por diversas redes e chegar
ao destino.
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Conteúdo 
O Roteador e os Princípios de Roteamento
Você com certeza toma várias decisões ao longo do dia, as quais,
analogamente, equivalem às do roteamento, efetuado em redes. Ao
se deslocar de um ponto a outro da cidade, você tem várias opções
de caminho. Existe o mais rápido e o mais curto. Em função do
meio de transporte utilizado, você pode considerar também o
custo. É isso que é feito no roteamento em redes: são tomadas
decisões que permitem aos pacotes serem deslocados pela rede
da melhor maneira possível. Qual é a melhor maneira possível cabe
ao administrador de rede decidir.
O que é roteamento?
Ao utilizar um determinado serviço na Internet, seja acessar uma
página web ou enviar uma mensagem de correio eletrônico, vários
pacotes são enviados e recebidos em seu computador. Esses
pacotes têm de percorrer um longo trajeto, já que dificilmente os
dados que você busca estão na mesma rede que você. Esses
dados podem estar em um servidor que se encontra em outro
segmento de rede da empresa, ou mesmo do outro lado do mundo.
Desse modo, ao transferir dados de um ponto a outro da rede, a
informação transita por vários nós intermediários. Existe a
possibilidade de múltiplos caminhos entre a origem e o destino. O
roteamento consiste na determinação do melhor caminho. Esse
serviço é provido pela Camada de Rede.
O equipamento que efetua o roteamento é denominado roteador.
Roteadores são os elementos de rede responsáveis pela
interconexão de redes e podem ser um equipamento adquirido com
essa finalidade ou então um computador atuando como roteador.
Cada roteador está conectado a duas ou mais redes e deve receber
o pacote (datagrama) por uma interface e encaminhá-lo à interface
de saída correta. Para isso se leva em consideração a topologia da
rede, tráfego e largura de banda, entre outras condições.
Figura 1 – Roteador Cisco Série 2500.
Como o roteador determina por qual interface deve enviar um
determinado pacote?
A resposta a essa pergunta é a base do princípio de funcionamento
de cada roteador. Vamos então à explicação:
Todo roteador possui uma tabela que denominamos tabela de
rotas. Nessa tabela, constam endereços de rede e interfaces. O
roteador, ao receber um determinado pacote, verifica no cabeçalho
do mesmo o endereço IP de destino. Nesse ponto, ele executa uma
operação importante, que é determinar o endereço de rede ao qual
pertence o IP encontrado. Uma vez determinado este endereço de
rede, ele verifica na tabela qual a interface de saída associada
àquele endereço de rede. Assim, dá-se o roteamento.
Como o roteador determina o endereço de rede associado a um
determinado IP?
Na unidade anterior, você aprendeu que cada rede possui um
endereço associado a ela e que este é denominado endereço de
rede. Para se determinar um endereço de rede, é necessário efetuar
uma operação chamada E booleano.
Figura 2 – E Booleano (AND Boolean).
Veja o exemplo:
Dado o endereço de rede e a máscara. Determinar o endereço da
rede.
Convertendo para a forma binária:
Convertendo o endereço de rede obtido para a forma decimal:
O endereço obtido é sempre o endereço de rede ao qual pertence o
endereço IP fornecido. Esse cálculo é válido inclusive quando se
utilizam sub-redes.
O roteamento pode ser de dois tipos: estático e dinâmico.
Estático (não adaptativo) – Baseia suas rotas em estimativas
de tráfego ou topologia da rede em um dado momento.
Dinâmico (adaptativo) – Baseia suas rotas levando em
consideração mudanças na topologia ou tráfego na rede
No roteamento estático, as rotas são definidas manualmente pelo
administrador da rede. São utilizadas em redes pequenas, onde
normalmente não existem múltiplos caminhos entre a origem e o
destino, ou quando se deseja fixar um caminho determinado para
certo tipo de acesso. Esse último caso é aplicado quando existem
questões confidenciais em relação às informações e você não quer
que elas fiquem “passeando por aí”.
Endereço de Rede: 192.168.10.20
Máscara: 255.255.255.0
11000000   10101000   00001010   00010100   (Endereço IP)
11111111   11111111   11111111   00000000   (Máscara de
Rede)
11000000   10101000   00001010   00000000   (Endereço de
Rede)
192.168.10.0
http://www.youtube.com/watch?v=vt7jhbfzrBU
http://www.youtube.com/watch?v=vt7jhbfzrBU
http://www.youtube.com/watch?v=vt7jhbfzrBU
No  roteamento dinâmico, as rotas são definidas
automaticamente pelos roteadores, os quais, periodicamente, por
meio de trocas de mensagens, definem qual o melhor caminho a
ser utilizado. Esse tipo de roteamento procura otimizar o tráfego de
dados, determinando para aquele momento qual a melhor opção.
Ao se deslocar pela cidade, você tem seus critérios. O raciocínio
vale para qualquer opção, mas vamos considerar que sua opção
seja pelo caminho mais rápido. Em uma cidade, as condições
mudam continuamente. Um caminho que, nesse momento, pode
ser o mais rápido, em outro pode não ser mais. As razões para isso
podem ser congestionamentos, obras etc. O controle de tráfego de
um frotista de caminhões ou de uma companhia aérea enfrenta o
mesmo tipo de situações. Uma ponte caída ou um aeroporto
fechado por chuva obrigam que sejam tomadas rotas alternativas.
Em uma rede de computadores acontece o mesmo. O tráfego
muda conforme a hora, dia do mês ou época do ano. Podem ainda
ocorrer problemas em determinados trechos, obrigando a
informação a ser enviada por caminho alternativo.
Como determinar a melhor rota?
A determinação da melhor rota é feita com base em um algoritmo
que utiliza um critério chamado métrica. Esta pode considerar
fatores como: largura de banda, tamanho médio dos pacotes,
carga, atraso e custo.
Algoritmos de Roteamento
Existem duas técnicas de roteamento que são utilizadas, a de vetor
distância  e a de  melhor caminho, podendo ser determinadas em
função do algoritmo adotado. Cada uma possui a sua métrica.
Existem dois algoritmos em que se baseiam os protocolos de
roteamento. São eles: Bellman-Ford e Dijkstra. O primeiro é
utilizado nos protocolos de roteamento por vetor distância, onde o
principal fator é a topologia da rede. O segundo é utilizado nos
protocolos de roteamento por estado de enlace, onde, além da
topologia, é considerada a condição de tráfego na rede.
Algoritmo de Roteamento por Vetor Distância
O algoritmo de roteamento de Bellman-Ford é conhecido também
pelo nome de  Ford-Fulkerson  ou vetor distância. Trata-se do
algoritmo de roteamento utilizado na ARPANET até 1979. A
nomenclatura vetor distância decorre do fato de que mantém um
vetor de distâncias de um nó a todos os outros da rede. Nesse
caso, a métrica é a distância (número de saltos).
O roteamento por vetor distância é distribuído e assíncrono.
Distribuído em razão de que os nós trocam informações entre si,
cada um visando determinar a menor distância dos outros. Essa
informação é compartilhada com todos os seus vizinhos. É
assíncrono porque não necessita que todos os nós executem
simultaneamente.
O algoritmo é de partida a frio, uma vez que se inicia com as
tabelas de rotas vazias, em que cada nó não sabe quais os vizinhos
a que está conectado. Inicialmente procura determinar quais seus
vizinhos, atribuindo a distância de cada um deles como sendo igual
a 1. Depois, repassa essa informação aos seus vizinhos, recebendo
também as informações dos mesmos. Desse modo, ele pode
determinar a distância até os vizinhos dos vizinhos. Assim,
depende da propagação das informações através dos vizinhos, o
que o torna mais lento. Além disso, considera somente distância
(quantidadede saltos) entre os nós, não levando em conta as
condições de tráfego.
http://www.youtube.com/watch?v=6zw3pgTYG5Q
http://www.youtube.com/watch?v=6zw3pgTYG5Q
http://www.youtube.com/watch?v=6zw3pgTYG5Q
http://www.youtube.com/watch?v=h9HjMzMajO4
http://www.youtube.com/watch?v=h9HjMzMajO4
http://www.youtube.com/watch?v=h9HjMzMajO4
Algoritmo de Roteamento por Estado de Enlace
Já o algoritmo de estado de enlace, denominado Shortest Path
First, foi desenvolvido por Dijkstra em 1959, determinando o melhor
caminho entre um dado vértice e os outros. O funcionamento do
algoritmo de Dijkstra é similar ao de Bellman-Ford. A principal
diferença decorre do fato de que ele procura determinar de modo
mais imediato qual o caminho de menor custo, enquanto o
Bellman-Ford realiza várias interações até obter uma resposta.
O roteamento que utiliza essa técnica executa os seguintes
passos: descobrir seus vizinhos (enviado mensagens de
broadcast); medir o tempo de retardo da resposta; criar uma
mensagem que inclua todas as informações sobre os retardos e
enviar aos seus vizinhos; calcular o caminho mais curto para cada
um dos roteadores, conforme as informações recebidas.
No princípio da Internet, quando ainda se chamava ARPANET, todas
as linhas eram de baixa velocidade. Por esse motivo, a técnica
de  vetor distância  considerava somente a distância. Com o
surgimento de redes de alta velocidade, tornou-se importante medir
sobretudo qual o caminho que apresentava o menor retardo.
Roteamento na Internet
Agora que você já estudou as duas técnicas de roteamento
dinâmico, iremos abordar o roteamento na Internet. Basicamente
existem dois tipos de roteamento: interno e externo.
O roteamento interno é o utilizado nas chamadas áreas autônomas
ou Autonomous Systems (AS). O roteamento dentro dessas áreas é
controlado por uma entidade administrativa única. Dentro desta
área, os roteadores trocam informações entre si, com o objetivo de
determinar as melhores rotas. Para isso utilizam os protocolos de
roteamento interno, tais como: Routing Information Protocol (RIP) e
Open Shortest Path First (OSPF). Dentro de uma mesma área
autônoma, todos os roteadores devem utilizar o mesmo protocolo
de roteamento.
Já o roteamento externo é a forma como se organiza a Internet. A
Internet, por ser uma rede de alcance mundial, é dividida em partes
menores, denominadas áreas autônomas. A integração entre elas é
feita por protocolos de roteamento externo, tais como: Exterior
Gateway Protocol (EGP) e Border Gateway Protocol (BGP).
Logo, dentro de cada área autônoma, é utilizado um protocolo de
roteamento interno (RIP ou OSPF, por exemplo), enquanto, para
conectar-se às áreas autônomas, utiliza-se um protocolo de
roteamento externo (BGP). No nosso estudo de roteamento, nos
restringiremos aos protocolos de roteamento interno.
O Protocolo RIP e RIP2
O protocolo de roteamento Routing Information Protocol (RIP) é
um protocolo de roteamento por vetor distância e possui duas
versões: RIP e RIP2.
A versão RIP (ou RIP1) foi, durante algum tempo, o padrão utilizado
em redes TCP/IP, sobretudo quando as redes possuíam baixa
largura de banda. Desse modo, como se mencionou antes, a
métrica utilizada era o número de saltos. Seu funcionamento é
baseado na troca periódica de mensagens a cada 30 segundos.
Assim, um determinado roteador mantém uma tabela de rotas com
base nas informações que recebe dos roteadores vizinhos. Caso
apareça um novo vizinho, uma nova rota é adicionada. Caso algum
vizinho deixe de responder por 180 segundos, ele é excluído da
http://www.youtube.com/watch?v=kbSRLC9XLRk
http://www.youtube.com/watch?v=kbSRLC9XLRk
http://www.youtube.com/watch?v=kbSRLC9XLRk
http://www.youtube.com/watch?v=SETiNrhlwb8
http://www.youtube.com/watch?v=SETiNrhlwb8
http://www.youtube.com/watch?v=SETiNrhlwb8
tabela de rotas. Desse modo, cada roteador pode manter sua
tabela atualizada, refletindo o que acontece na rede naqueles
instantes.
O protocolo RIP possui algumas limitações. A primeira delas é que
é estabelecido um limite de 15 saltos. A partir daí, o custo dessa
rota é considerado “infinito”, sendo a rota descartada. Uma
segunda limitação é a ausência de um campo para a máscara de
rede. Logo, o RIP não trabalha com sub-redes. Outro problema que
surge de vez em quando é o RIP entender rotas antigas como
novas e provocar alguma confusão criando rotas circulares.
O formato da mensagem RIP é apresentado a seguir:
Figura 3 – Formato Mensagem RIP.
Descrição dos campos do protocolo RIP:
Comando (1 byte) – Valor entre 1 e 5. Identifica o pacote
como uma requisição (request) ou resposta (response).
Versão (1 byte) – Versão do protocolo RIP.
Endereço (4 bytes) – Endereço IP.
Métrica (4 bytes) – Número de nós.
Devido às limitações de endereço que RIP1 possui, foi então criado
o RIP2. O protocolo RIP2, ao contrário do RIP1, permite a utilização
de sub-redes e de Classless Inter-Domain Routing (CIDR). Permite
também autenticação.
O formato da mensagem RIP2 é apresentado a seguir:
Figura 4 – Formato Mensagem RIP2
Descrição dos campos do protocolo RIP2:
Comando (1 byte) – Valor entre 1 e 5. Identifica o pacote
como uma requisição (request) ou resposta (response).
Versão (1 byte) – Versão do protocolo RIP.
Identificador de Família de Endereços (2 bytes).
Marcador de rota (2 bytes).
Endereço (4 bytes) – Endereço IP.
Máscara de Sub-rede (4 bytes).
Próximo salto (4 bytes) – Contém o endereço do próximo
salto para onde os pacotes serão enviados.
Métrica (4 bytes) – Contagem de pulos.
O Protocolo OSPF
O protocolo Open Shortest Path First (OSPF) é um protocolo de
roteamento por estado de enlace. Permite efetuar roteamento com
base em várias métricas (tráfego, atrasos, velocidade atual, largura
http://www.youtube.com/watch?v=9ApY9BTH0ss
http://www.youtube.com/watch?v=9ApY9BTH0ss
http://www.youtube.com/watch?v=9ApY9BTH0ss
de banda etc.). O OSPF possui grande eficiência ao propagar
somente as atualizações das tabelas. Os pequenos pacotes com
as atualizações são denominados anúncios. Esse protocolo
também é um protocolo de roteamento interno, ou seja, é utilizado
dentro de uma área autônoma. O OSPF possui uma grande
vantagem sobre os protocolos RIP, que é a rápida capacidade de
recuperação das rotas após alterações na topologia ou
modificações no perfil do tráfego, além de não criar rotas
circulares.
O formato da mensagem OSPF é apresentado a seguir:
Figura 5 – Formato mensagem OSPF.
Descrição dos campos do protocolo OSPF:
Número da versão (1 byte) – Versão do OSPF em uso.
Tipo (1 byte) – Tipo de mensagem OSPF que está sendo
enviada. Pode ser: hello – para estabelecer e manter
relacionamentos; database description – descrições de base
de dados (topologia); link state request – requisição de
topologia; link state update – requisição de atualização; link
state acknowledge – envio de confirmação.
Comprimento do pacote (2 bytes) – Comprimento do pacote,
inclusive com cabeçalho.
Identificador do roteador (4 bytes) – Identificação da origem.
Identificador de área (4 bytes) – Identificação de área.
Checagem de soma (2 bytes) – Verificação do pacote por
CRC (polinomial).
Tipo de autenticação (2 bytes) – Especifica o tipo de
autenticação utilizada. Pode ser do tipo: null; autenticação
simples ou criptografada.
Autenticação (2 bytes) – Informações de autenticação.
Dados (tamanho variável) – Dados a serem enviados.
Outros Protocolos de Roteamento
Além dos protocolos de roteamento interno RIP e OSPF, existem
alguns outros que podem ser utilizados, tais como: Interior
Gateway Routing Protocol (IGRP), Enhanced Interior Gateway
Routing Protocol (EIGRP).
O IGRP é um protocolo desenvolvido pela Cisco Systems, que leva
em conta largura de banda, tráfego, atraso e perda de pacotes.
Possui um recurso que pode enviar os dados por múltiplas rotas,
efetuando um balanceamento entre a capacidade dos links. O
EIGRP utiliza um protocolo proprietário da Cisco baseado no IRGP,
bem como um protocolo de roteamento por vetor distância com
melhorias, que efetua combinações de recursos devetor distância
com estado de enlace.
Roteamento Broadcast e Multicast
Como último tópico, é interessante também que você veja os
conceitos de roteamento broadcast e multicast. O roteamento
broadcast é utilizado quando uma informação é enviada a todos os
nós em uma rede. Já o roteamento multicast é utilizado para o
envio de uma mesma informação a um conjunto de nós presentes
em outras redes. O objetivo destes dois tipos de roteamento é
aumentar a eficiência na utilização dos links, evitando tráfego
duplicado em um mesmo segmento.
A figura a seguir ilustra essa situação. No primeiro modo, duas
transmissões simultâneas são efetuadas. A primeira passa pelos
roteadores 1, 2 e 3. Enquanto a segunda passa por 1, 2 e 4. Isso
acaba por sobrecarregar desnecessariamente o link entre o
roteador 1 e 2. Dependendo do tipo de tráfego e da largura de
banda, pode ocorrer alguma lentidão.
Figura 6 – Duplicação de Dados em uma Rede a partir da Origem.
Uma forma mais eficiente de efetuar uma transmissão com
múltiplos destinos é utilizar uma abordagem como a indicada na
figura a seguir. Somente uma transmissão é efetuada do roteador 1
ao 2, que então efetua um envio simultâneo de pacotes para os
roteadores 3 e 4.
Figura 7 – Duplicação de Dados dentro da Rede.
Existem algumas otimizações neste tipo de roteamento para
facilitar o trabalho, evitando que os roteadores que efetuam o
broadcast provoquem uma inundação de dados na rede. Uma
dessas soluções é o broadcast por spanning tree, demonstrado na
figura a seguir:
Figura 8 – Duplicação de Dados em uma Rede (Spanning Tree).
O roteamento em multicast é utilizado quando se deseja enviar a
informação a um dado grupo de máquinas que estão espalhadas
em redes diferentes. É particularmente útil na atualização de
programas ou na transmissão de conteúdo multimídia. Essa
solução é bastante utilizada em videoconferências nas quais os
participantes estão distribuídos por vários locais. Grandes portais
de Internet e empresas de divulgação de serviços financeiros
fazem uso desse recurso.
Considere como exemplo um canal de notícias via Internet. Um
grande provedor de Internet pode utilizar multicast para enviar este
conteúdo para servidores estrategicamente espalhados pelo país.
Quando você for acessar esse conteúdo, ele virá a partir de um
desses servidores e não do servidor principal que o originou.
A composição de um grupo, em uma transmissão multicast, é feita
por um protocolo denominado Internet Group Management
Protocol (IGMP).
Figura 9 – Multicast.
Recapitulando... 
Esta unidade fecha um ciclo importante, que é o estudo da
camada de redes do TCP/IP. O bom entendimento do
funcionamento dessa camada, com certeza, lhe dará um
grande diferencial quanto ao projeto e/ou administração de
sistemas que fazem uso de redes e da Internet, quase uma
unanimidade atualmente. Você começou a aplicar o que foi
visto na unidade anterior, aprendendo o que é roteamento e
as formas de fazê-lo. Após o estudo dos assuntos
associados ao roteamento, passaremos para as aplicações
utilizadas na Internet, que são a finalidade de termos uma
infraestrutura de redes. Normalmente, ninguém monta uma
rede por montar. Em geral uma infraestrutura de rede é
montada para tornar disponíveis serviços, que podem ir
desde o provimento de páginas web, correio eletrônico e
aplicações de compartilhamento de arquivos ou multimídia,
até o rastreamento via satélite ou celular de pessoas,
veículos ou cargas.
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Na Prática 
"Prezado(a) estudante,
Esta seção é composta por atividades que
objetivam consolidar a sua aprendizagem
quanto aos conteúdos estudados e
discutidos. Caso alguma dessas
atividades seja avaliativa, seu (sua)
professor (a) indicará no Plano de Ensino
e lhe orientará quanto aos critérios e
formas de apresentação e de envio."
Bom Trabalho!
1. Nesta unidade você estudou os protocolos de
roteamento RIP e OSPF, utilizados dentro de
domínios. Existem ainda os protocolos interdomínios
como o BGP (Border Gateway Protocol). Pesquise e
explique as principais características e
funcionamento deste protocolo.
2. Você estudou os protocolos de roteamento RIP e
OSPF utilizados dentro de domínios. Existem ainda
os protocolos de roteamento utilizados para a
comunicação entre Sistemas Autônomos, ou AS
(Autonomous Systems). Pesquise e explique o que
são estes sistemas autônomos.
3. A Internet tem se mostrado um meio importante
para a eliminação de intermediários em várias
cadeias produtivas, provocando rupturas, e com isso
novas oportunidades. O que é percebido na área de
mobilidade, de hospedagem, e também na área de
mídia com os múltiplos serviços de streaming
existentes. Como uma empresa que provê o
streaming de múltiplos conteúdos pode fazer para
lidar com a crescente quantidade e quantidade de
fluxos sem prejuízo da qualidade? Pesquise a
respeito e faça um resumo sobre isso.
Atividade 

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