Cap 1 Gerência e Análise de Redes

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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 definido. 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 codificação, em geral, envolve robustos métodos matemáticos que buscam acomodar o método de codificação escolhido às características do meio físico a ser usado.
Essa codificação 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 codificados serão transmitidos por sinalização digital ou analógica.
Transmissão no meio físico
	Determina quais meios físicos podem ser usados (cobre, fibra, ar);
	Verifica 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 confiável (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 figura a seguir.
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.
Estabelecimento / fechamento de conexão
Em alguns padrões de camada de rede, os roteadores participam do estabelecimento de um caminho fixo 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.
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 filas (buffers) dos roteadores.
Roteamento
Para definir algoritmos e protocolos de roteamento capazes de escolher, dentre as várias opções de caminho até o destino, o caminho mais eficiente.
Infraestrutura de comunicação
	Note, na figura 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 desafios impostos à comunicação fim a fim (aplicativo a aplicativo, processo a processo).
Camada de transporte
A Camada de transporte tem o objetivo fundamental de realizar a troca de dados fim a fim (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:
A camada de transporte é implementada apenas nos sistemas finais (hosts), ou seja, não é implementada pelos roteadores e comutadores. 
Para alcançar seu objetivo fundamental, a camada de transporte tem um série de desafios para contornar. Para isso, os seguintes serviços são oferecidos:
	Segmentação de mensagens 
	Entrega confiável 
	Controle de tráfego de mensagens 
	Multiplexações de sessões 
		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.
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.
Entrega confiável
A camada de transporte do host remetente pode manter uma cópia de um segmento enviado e manter uma contagem regressiva para aguardar uma confirmação, vinda da camada de transporte do host destino.
Se a confirmação não chegar a tempo, a cópia do segmento será reenviado e haverá uma nova espera por confirmação.
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).
Multiplexações de sessões
Através dos campos de cabeçalhos da camada de transporte, vários aplicativos em um host remetente podem enviar concomitantemente diferentes fluxos de dados a diferentes aplicativos remotos. Para a multiplexação de sessões um identificador lógico da sessão em questão é inserido no campo de cabeçalho da camada de transporte.
Camada de aplicação
Por fim, temos a camada de aplicação. Nela, qualquer serviço ao usuário final é implementado através de aplicativos desenvolvidos pelos programadores. Veja alguns exemplos comuns de serviços aos usuários:
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.
Principais protocolos de domínio público do modelo TCP/IP
Na internet, os serviços a serem implementados por cada camada são definidos por padrões de domínio público que estão disponíveis através de documentos chamados RFC ( Request For Comments).
O esquema abaixo exemplifica os principais protocolos de domínio público presentes em cada camada do modelo TCP/IP.
Suponha um avião. Este é um sistema extremamente complexo e heterogêneo (sistemas mecânicos, hidráulicos, elétricos, eletrônicos, computacionais).
Para que o comandante consiga operar com eficiência 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 especificados. 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 modificações 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.
Motivação para o gerenciamento e análise de redes
Antes de falarmos especificamente de rede, vamos analisar uma analogia proposta no livro Redes de Computadores e Internet, de James F. Kurose, Capítulo 9, 6ª edição. Observe:
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
Mesmo em um cenário aparentemente simples, que envolve poucas dezenas de hosts, 3 servidores, 3 roteadores, 3 switches e 1 link para a internet, há muitos cenários de monitoração em que o administrador precisará ter ferramentas de gerenciamento e análise adequadas para que possa trabalhar com eficiência. Veja algumas situações em que essas ferramentas são necessárias:
Detecção de falha em uma placa de interface em um servidor ou roteador
Usando uma ferramenta adequada, um servidor ou roteador pode notificar 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 configurados 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 definido. Como o cliente paga por esses acordos, é claro que tem interesse em monitorar as métricas constantes no contrato a fim 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 notificações, 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 quantificar, medir, informar, analisar e controlar o desempenho e uma rede.
	
	
	Gerenciamento de falhas
	
	
	
	Detectar, registrar (em logs) e reagir a falhas.
	
	
	Gerenciamento de configuração
	
	
	
	Permite que se saiba quais dispositivos fazem parte da rede e quais são as configurações usadas para os hardwares e softwares.
	
	
	Gerenciamento de contabilização
	
	
	
	Permite que o uso de recursos por usuários seja monitorado para fins 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 definidos 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) 
	Atraso em uma direção (one-way delay) 
	Atraso de ida e volta (RTT - Round Trip Time) 
	Variação do atraso (Jitter) 
	Fração de perda de pacotes (Packet Loss Ratio) 
	Tamanho das filas (Queue size) 
	Taxa de colisão (Collision Rate) 
	Carga/Utilização da rede 
	Percentual de tráfego por protocolo 
		Vazão (throughput)
Mede a quantidade de bits que passa pelo meio de comunicação por 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 final.
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 filas dos roteadores aumentam, o atraso observado (exemplo RTT) aumenta consideravelmente.
Depois, porque se a fila fica 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.