Tema 3 Arquitetura de Camadas

Prévia do material em texto

CURSO CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
DISCIPLINA: FUNDAMENTOS DE REDES DE COMPUTADORES
TEMA: Arquitetura de Camadas
TEXTO PARA APOIO AO ESTUDO
1. Arquitetura de redes
Uma arquitetura de redes deve especificar o número de camadas, os serviços oferecidos por cada nível, as respectivas interfaces, além da pilha de protocolos. A definição das funções de cada camada é uma das principais tarefas no projeto de uma arquitetura de redes, pois tem grande influência no seu desempenho. Uma arquitetura que define claramente esses conceitos oferece uma série de benefícios, pois simplifica o projeto e a implementação de seus componentes e facilita a manutenção e a evolução da arquitetura. Se existir o efetivo isolamento entre as camadas é possível melhorar serviços já existentes ou incluir novos serviços sem afetar os demais níveis do modelo. (Maia, 2013)
Uma arquitetura de camadas permite discutir uma parcela específica e bem definida de um sistema grande e complexo. Essa simplificação tem considerável valor intrínseco, pois provê modularidade, tornando muito mais fácil modificar a execução do serviço prestado pela camada. Contanto que a camada forneça o mesmo serviço para a que está acima e use os mesmos serviços da que vem abaixo dela, o restante do sistema permanece inalterado quando a sua realização é modificada. Para sistemas grandes e complexos que são atualizados constantemente, a capacidade de modificar a realização de um serviço sem afetar outros componentes do sistema é outra vantagem importante da divisão em camadas. (Kurose, 2013)
O modelo de camadas oferece inúmeras vantagens, porém existem algumas desvantagens, consequência do próprio modelo hierárquico. Dependendo do número de camadas, é possível comprometer o desempenho da rede em função do número de interfaces pelas quais o dado irá passar. A divisão em camadas pode gerar funções repetidas em dois ou mais níveis, contribuindo também para o baixo desempenho da rede. Por exemplo, as funções de endereçamento e controle de erro repetem-se em vários níveis. Além disso, como cada camada adiciona suas próprias informações de controle, a relação entre dados enviados e controles utilizados pode tornar o modelo ineficiente. (Maia, 2013)
Para prover uma estrutura para o projeto, projetistas de rede organizam protocolos — e o hardware e o software de rede que os executam — em camadas. Cada protocolo pertence a uma das camadas, assim como cada função ou serviço pertencia a uma camada. Mais uma vez estamos interessados nos serviços que uma camada oferece à camada acima dela — denominado modelo de serviço. Assim como em nosso exemplo da linha aérea, cada camada provê seu serviço (1) executando certas ações dentro dela e (2) utilizando os serviços da camada diretamente abaixo dela. Por exemplo, os serviços providos pela camada n podem incluir entrega confiável de mensagens de uma extremidade da rede à outra, que pode ser implementada utilizando um serviço não confiável de entrega de mensagem fim a fim da camada n – 1 e adicionando funcionalidade da camada n para detectar e retransmitir mensagens perdidas.
1.1 Elementos de uma camada
Cada camada é composta pelos seguintes elementos básicos: serviços, protocolos e interface. Os serviços são o conjunto de funções oferecidas em determinada camada, no sentido vertical, com a camada inferior oferecendo serviços para a camada superior ou, analisando de cima para baixo, a camada superior utilizando serviços da camada inferior. Pode-se dizer que essa troca de informações é a chamada comunicação vertical e ocorre no mesmo dispositivo.
Os protocolos são o conjunto de regras para controlar o formato e o significado das mensagens transportadas entre as entidades pares, ou seja, para permitir que camadas de mesmo nível em dispositivos diferentes. A troca de informações entre camadas de mesmo nível é denominada comunicação horizontal. O conjunto de protocolos implementados por todas as camadas do modelo é denominado pilha de protocolos.
É importante não confundir os conceitos de serviço e protocolo. Um serviço define o que deve ser feito pela camada, ou seja, as interfaces e parâmetros que permitem a comunicação vertical entre as camadas adjacentes. O protocolo define como o serviço é implementado, ou seja, as informações de controle e o processamento realizado pelas camadas no mesmo nível horizontal (Fig.1). (Maia, 2013)
Figura 1- Protocolo e serviço (Maia, 2013)
A passagem, de cima para baixo, de dados e informações de rede pelas camadas do dispositivo emissor e depois de volta através das camadas do dispositivo receptor é possível graças a uma interface entre cada par de camadas adjacentes. Cada interface define as informações e serviços que uma camada deve fornecer para a camada superior. Desde que uma camada forneça os serviços esperados para a camada superior, a implementação específica de suas funções pode ser modificada ou substituída, sem exigir mudanças nas camadas adjacentes. (Fourouzan, 2008)
1.2 Comunicação horizontal e vertical 
No modelo de camadas, cada nível comunica-se apenas com a(s) camada(s) adjacente(s), formando a comunicação vertical (Fig. 2). Por exemplo, a camada de enlace pode trocar informações apenas com as camadas física e de rede. Cada nível oferece um conjunto de serviços para a camada imediatamente superior e utiliza serviços do nível inferior. Por exemplo, a camada de transporte oferece serviços para a camada de aplicação, que por sua vez utiliza serviços oferecidos pela camada rede. Os serviços são oferecidos através de interfaces que permitem a comunicação entre as camadas adjacentes. (Maia, 2013)
Figura 2-Comunicação vertical. (Maia, 2013)
A comunicação vertical ocorre entre as camadas dentro de um mesmo dispositivo. Vejamos, agora, como é realizada a comunicação entre as camadas em dispositivos distintos, ou seja, a comunicação horizontal. Quando um usuário deseja enviar um dado, por exemplo, um e-mail, a mensagem é passada para a camada de aplicação, que, através de interfaces, passa o dado para a camada de transporte e assim sucessivamente até chegar na camada física, onde os bits são transmitidos. No destino, os bits são recebidos pela camada física e passados, através de interfaces, para a camada de enlace, e assim sucessivamente até a camada de aplicação, onde o dado é entregue ao usuário. (Maia, 2013)
A Fig. 3 apresenta o processo de comunicação entre dois usuários de forma mais detalhada. Na origem, cada camada adiciona ao dado a ser enviado informações de controle, na forma de um cabeçalho, que serão recebidas e processadas pela camada de destino. Por exemplo, a camada de aplicação adiciona informações de controle ao dado na forma de um cabeçalho de aplicação (CA). A camada de transporte recebe o CA e o dado da camada de aplicação e acrescenta suas próprias informações de controle, utilizando o cabeçalho de transporte (CT). As camadas de rede, enlace e física acrescentam suas informações de controle, utilizando seus respectivos cabeçalhos (CR, CE e CF). (Maia, 2013)
Figura 3-Comunicação horizontal (Maia, 2013)
No destino, a camada física recebe os bits, processa as informações de controle no cabeçalho físico (CF) e passa o restante para o nível superior. A camada de enlace, por sua vez, processa o cabeçalho de enlace (CE) e passa o restante para a camada de rede. O mesmo acontece nas camadas de rede, transporte e aplicação, onde os seus respectivos cabeçalhos (CR, CT e CA) são processados. Finalmente, a camada de aplicação entrega o dado ao usuário. Como cada camada trata apenas das informações relacionadas ao seu cabeçalho, o modelo permite criar a abstração de que as camadas se comunicam diretamente, ou seja, existe uma comunicação horizontal camada a camada para cada nível do modelo. Essa abstração é possível graças ao conceito de encapsulamento. (Maia, 2013)
1.3 Encapsulamento
O conceito de encapsulamento permite esconder de um determinado nível as informações de controle referentes aos níveis superiores, criando o efetivo isolamento e a independência entre as camadas (Fig.4a). Na origem, o dado é acrescido do cabeçalho de aplicação, formando um PDU (Protocol Data Unit) ou unidade de dados do protocolo. O PDU de aplicação (PDU-A) é passado para a camada de transporte, que ignora o cabeçalho inserido pela camada superior e trata a mensagem como dados entregues pela camada de aplicação. Por sua vez, a camada de transporte acrescenta seu próprio cabeçalho e passa o PDU de transporte (PDU-T) para o nível de rede, que recebe o PDU-T como se fossem dados vindos da camada de transporte. O mesmo processo de encapsulamento se repete até a camada física, gerando os PDUs das camadas de rede, enlace e física. (Maia, 2013)
A Fig. 4b apresenta o processo de desencapsulamento, ou seja, o processo inverso ao encapsulamento. No destino, os bits são recebidos, o cabeçalho da camada física é processado e o PDU de enlace (PDU-E) é entregue à camada superior. A camada de enlace processa seu próprio cabeçalho e passa o PDU de rede (PDU-R) para a camada de transporte. O processo se repete até o dado ser entregue ao usuário. (Maia, 2013)
Figura 4-Processo de encapsulamento e desencapsulamento. (Maia, 2013)
2. Modelo OSI
No final dos anos 1970, a Organização Internacional para Padronização (ISO — International Organization for Standardization) propôs que as redes de computadores fossem organizadas em, mais ou menos, sete camadas, denominadas modelo de Interconexão de Sistemas Abertos (OSI — Open Systems Interconnection) [ISO, 2012]. O modelo OSI tomou forma quando os protocolos que iriam se tornar protocolos da Internet estavam em sua infância e eram um dos muitos conjuntos em desenvolvimento; na verdade, os inventores do modelo OSI original provavelmente não tinham a Internet em mente ao criá-lo. No entanto, no final dos anos 1970, muitos cursos universitários e de treinamento obtiveram conhecimentos sobre a exigência do ISO e organizaram cursos voltados para o modelo de sete camadas. Em razão de seu impacto precoce na educação de redes, esse modelo continua presente em alguns livros sobre redes e em cursos de treinamento. As sete camadas do modelo de referência OSI, mostradas na Figura 5, são: de aplicação, de apresentação, de sessão, de transporte, de rede, de enlace e camada física. (Kurose, 2013)
Figura 5-Modelo OSI
A camada de aplicação habilita o usuário, seja ele humano ou software, a acessar a rede. Ela fornece interface com o usuário e suporte a serviços, como e-mail, acesso e transferência de arquivos remotos, gerenciamento de bancos de dados compartilhados e outros tipos de serviços de informação distribuídos. (Fourouzan, 2008)
Os principais serviços dessa camada são a Web, o correio eletrônico, a transferência de arquivos, o terminal remoto, o serviço de nomes, a gerência remota e os serviços de áudio e vídeo. (Maia, 2013)
A camada de apresentação do modelo OSI é responsável por oferecer serviços de compatibilização e formatação de dados entre os dispositivos que trabalham com tipos de dados diferentes. Alguns serviços oferecidos são a conversão de códigos de caracteres, por exemplo ASCII para EBCDIC, a adaptação de telas de programas a diferentes terminais, a compressão de dados e a criptografia. (Maia, 2013)
A camada de sessão do modelo OSI é responsável pela integração da rede a aspectos relacionados ao sistema operacional, funcionando como uma interface entre o software de rede e o sistema operacional. As principais funções dessa camada são criar e eliminar processos, receber e verificar pedidos de conexão, solicitar e monitorar ligações lógicas e controlar diálogo e sincronização. (Maia, 2013)
A camada de transporte é responsável pela entrega processo a processo de toda a mensagem. Processo é um programa aplicativo que está́ sendo executado em um host. Embora a camada de rede supervisione a entrega da origem ao destino dos pacotes individuais, ela não reconhece qualquer relação entre esses pacotes. Ela trata cada um deles independentemente, como se cada trecho pertencesse a uma mensagem separada, ocorra isto ou não. Por outro lado, a camada de transporte garante que a mensagem chegue intacta e na sequência correta, supervisionando tanto o controle de erros como o controle de fluxo no nível origem-ao-destino. A Figura 6 mostra a relação da camada de transporte com as camadas de rede e sessão. (Fourouzan, 2008)
Figura 6-Camada de transporte. (Fourouzan, 2008)
Outras responsabilidades da camada de transporte são as seguintes: 
· Endereçamento do ponto de acesso ao serviço (service-point addressing). Normalmente, computadores executam vários programas ao mesmo tempo. Por essa razão, a entrega origem-ao-destino significa a entrega não apenas de um computador para o seguinte, mas também de um processo específico (programa em execução) em um computador para um processo específico (programa em execução) no outro. O cabeçalho da camada de transporte deve, portanto, incluir um tipo de endereço chamado endereço do ponto de acesso ao serviço (ou também denominado endereço de porta). A camada de rede encaminha cada pacote para o computador correto; a camada de transporte leva a mensagem inteira para o processo correto naquele computador. (Fourouzan, 2008)
· Segmentação e remontagem. Uma mensagem é dividida em segmentos transmissíveis, com cada segmento contendo um número de sequência. Esses números permitem à camada de transporte remontar a mensagem corretamente após a chegada no destino e identificar e substituir pacotes que foram perdidos na transmissão. (Fourouzan, 2008)
· Controle da conexão. A camada de transporte pode ser tanto orientada à conexão como não. Uma camada de transporte não orientada à conexão trata cada segmento como um pacote independente e o entrega à camada de transporte na máquina de destino. Uma camada de transporte orientada à conexão estabelece em primeiro lugar uma conexão com a camada de transporte na máquina de destino antes de iniciar a entrega dos pacotes. Após todos os dados serem transferidos a conexão é encerrada. (Fourouzan, 2008)
· Controle de fluxo. Assim como a camada de enlace de dados, a camada de transporte é responsável pelo controle de fluxo. Entretanto, o controle de fluxo nessa camada é realizado de uma extremidade à outra e não apenas em um único link. (Fourouzan, 2008)
· Controle de erros. Assim como a camada de enlace de dados, a camada de transporte é responsável pelo controle de erros. Entretanto, o controle de erros nessa camada é realiza- do processo-a-processo e não apenas em um único link. A camada de transporte emissora certifica-se que a mensagem inteira chegou na camada de transporte receptora sem erro (corrompida, perdida ou duplicada). Normalmente, a correção de erros é conseguida por meio de retransmissão. (Fourouzan, 2008)
A camada de rede é responsável pela entrega de um pacote desde sua origem até́ o seu destino, provavelmente através de várias redes (links). Embora a camada de enlace coordene a entrega do pacote entre dois sistemas na mesma rede (links), a camada de rede garante que cada pacote seja transmitido de seu ponto de origem até́ seu destino final. (Fourouzan, 2008)
Se dois sistemas estiverem conectados ao mesmo link, em geral não há a necessidade de uma camada de rede. Entretanto, se dois sistemas estiverem conectados a redes (links) diferentes por meio de dispositivos intermediários de conexão entre as redes (links), normalmente, há a necessidade da camada de rede para realizar a entrega da origem até́ o destino. A Figura 7 mostra a relação entre a camada de rede e as camadas de enlace e transporte. (Fourouzan, 2008)
Figura 7-Camada de Rede. (Fourouzan, 2008)
Outras responsabilidades da camada de rede são as seguintes: 
· Endereçamento lógico. O endereçamento físico implementado na camada de enlace de dados trata do problema de endereçamento localmente. Se um pacote ultrapassar os limites da rede, precisaremos de um outro sistema de endereçamento para ajudar a distinguir os sistemas de origem e destino. A camada de rede adiciona um cabeçalho ao pacote proveniente da camada superior que,entre outras coisas, inclui os endereços lógicos do emissor e do receptor. (Fourouzan, 2008)
· Roteamento. Quando redes ou links independentes estiverem conectados para criar inter-redes (rede de redes) ou uma grande rede, os dispositivos de conexão (chamados roteadores ou comutadores) encaminham ou comutam os pacotes para seus destinos finais. Uma das funções da camada de rede é fornecer esse mecanismo. (Fourouzan, 2008)
	A camada de rede é responsável pela entrega de pacotes individuais desde o host de origem até́ o host de destino. A Figura 8 ilustra a entrega de uma extremidade à outra pela camada de rede. (Fourouzan, 2008)
Figura 8-Entrega desde a origem até o destino. Fourouzan, 2008)
A camada de enlace de dados transforma a camada física, de um meio de transmissão bruto, em um link confiável. Ela faz que a camada física pareça livre de erros para a camada superior (a camada de rede). Figura 9 mostra a relação entre a camada de enlace de dados com as camadas de rede e física. (Fourouzan, 2008)
Figura 9-Camada de Enlace. (Fourouzan, 2008)
Outras responsabilidades da camada de enlace de dados são as seguintes:
· Enquadramento. A camada de enlace de dados divide o fluxo de bits recebidos da camada de rede em unidades de dados gerenciáveis denominados frames. (Fourouzan, 2008)
· Endereçamento físico. Se os frames forem distribuídos em sistemas diferentes na rede, a camada de enlace de dados acrescenta um cabeçalho ao frame para definir o emissor e/ou receptor do frame. Se este for destinado a um sistema fora da rede do emissor, o endereço do receptor é o do dispositivo que conecta a rede à próxima. (Fourouzan, 2008)
· Controle de fluxo. Se a velocidade na qual os dados são recebidos pelo receptor for menor que a velocidade na qual os dados são transmitidos pelo emissor, a camada de enlace de dados impõe um mecanismo de controle de fluxo para impedir que o receptor fique sobre- carregado. (Fourouzan, 2008)
· Controle de erros. A camada de enlace de dados acrescenta confiabilidade à camada física adicionando mecanismos para detectar e retransmitir frames danificados ou perdidos. Ela também usa mecanismos para reconhecer frames duplicados. Normalmente, o controle de erros é obtido por meio de um trailer acrescentado ao final do quadro. (Fourouzan, 2008)
· Controle de acesso. Quando dois ou mais dispositivos estiverem conectados ao mesmo link são necessários protocolos da camada de enlace de dados para determinar qual dispositivo assumirá o controle do link em dado instante. (Fourouzan, 2008)
	A camada de enlace é responsável pela transferência de frames de um hop para o seguinte, como ilustrado na Figura 10. (Fourouzan, 2008)
Figura 10-Entrega hop-to-hop (salto a salto) (Fourouzan, 2008)
A camada física coordena as funções necessárias para transportar um fluxo de bits através de um meio físico. Ela trata das especificações mecânicas e elétricas da interface e do meio de transmissão. Ela também define os procedimentos e funções que os dispositivos físicos e interfaces têm de executar para que a transmissão seja possível. A Figura 7 mostra a posição da camada física em relação ao meio de transmissão e a camada de enlace. (Fourouzan, 2008)
A camada física também se incumbe do seguinte:
· Características físicas das interfaces e do meio de transmissão. A camada física define as características da interface entre os dispositivos e o meio de transmissão. Ela também define o tipo de meio de transmissão. (Fourouzan, 2008)
· Representação de bits. Os dados na camada física são formados por um fluxo de bits (sequência de 0s ou 1s) sem nenhuma interpretação. Para serem transmitidos, os bits devem ser codificados em sinais — elétricos ou óticos. A camada física define o tipo de codificação (como os 0s e 1s são convertidos em sinais). (Fourouzan, 2008)
· Taxa de dados. A taxa de dados — o número de bits enviados a cada segundo — também é definido na camada física. Em outras palavras, a camada física estabelece a duração de um bit, que é o tempo que ele perdura. (Fourouzan, 2008)
· Sincronização de bits. O emissor e o receptor não apenas têm de usar a mesma taxa de transmissão de bits como também devem estar sincronizados em nível de bit. Em outras palavras, os clocks do emissor e do receptor devem estar sincronizados. (Fourouzan, 2008)
· Configuração da linha. A camada física é responsável pela conexão dos dispositivos com o meio físico. Em uma configuração ponto a ponto, dois dispositivos são conectados através de um link dedicado. Em uma configuração multiponto, um link é compartilhado entre vários dispositivos. (Fourouzan, 2008)
· Topologia física. A topologia física define como os dispositivos estão conectados de modo a formar uma rede. Os dispositivos podem ser conectados usando-se uma topologia de malha (cada dispositivo é conectado a cada um dos demais dispositivos), uma topologia estrela (os dispositivos são conectados por um dispositivo central), uma topologia de anel (cada dispositivo é conectado ao seguinte, formando um anel), uma topologia de barramento (todos os dispositivos são conectados através de um link comum) ou uma topologia híbrida (uma combinação de duas ou mais topologias). (Fourouzan, 2008)
· Modo de transmissão. A camada física também define o sentido das transmissões entre os dois dispositivos: simplex, half-duplex ou full-duplex. No modo simplex, somente um dispositivo pode enviar dados; o outro pode apenas receber. O modo simplex é uma comunicação de dados em mão única. No modo half-duplex, os dois dispositivos podem enviar e receber, mas não ao mesmo tempo. No modo full-duplex (ou simplesmente duplex), os dois dispositivos podem enviar e receber ao mesmo tempo. (Fourouzan, 2008)
Figura 11-Camada física. (Fourouzan, 2008)
	A Figura 12 apresente um resumo dos serviços oferecidos pelas camadas do modelo OSI.
Figura 12-Resumo das camadas do Modelo OSI. (Fourouzan, 2008)
3. Arquitetura TCP/IP ou Arquitetura Internet
	O conjunto de protocolos TCP/IP ou Internet foi desenvolvido antes do modelo OSI. Portanto, as camadas no conjunto de protocolos TCP/IP não correspondem exatamente àquelas do modelo OSI. O conjunto de protocolos TCP/IP foi definido como tendo quatro camadas: acesso à rede (host-rede), internet, transporte e aplicação. Entretanto, quando o TCP/IP é comparado ao modelo OSI, podemos dizer que a camada host-rede é equivalente à combinação das camadas física e de enlace de dados. A camada internet equivale à camada de rede e a camada de aplicação realiza, grosso modo, as funções das camadas de sessão, de apresentação e de aplicação com a camada de transporte no TCP/IP cuidando também de parte das tarefas da camada de sessão. Para fins didáticos, partimos do pressuposto de que o conjunto de protocolos TCP/IP é composto por cinco camadas: física, enlace, rede, transporte e aplicação, também conhecido como modelo de cinco camadas. As quatro primeiras camadas fornecem funções de padrões físicos, interfaces de rede, ligação entre redes e de transporte que correspondem às quatro primeiras camadas do modelo OSI. Entretanto, as três camadas mais altas no modelo OSI são representadas no TCP/IP por uma única camada denominada camada de aplicação. (Fourouzan, 2008)
	A Figura 13 ilustra a comparação entre o modelo de cinco camadas, modelo Internet (TCP/IP) e o modelo OSI. Os serviços oferecidos pelas camadas são semelhantes, entretanto, a camada de aplicação da arquitetura TCP/IP engloba as funções das camadas de aplicação, apresentação e sessão do modelo OSI.
Figura 13- comparação de modelos
AS INFORMAÇÕES CONTIDAS NESTE MATERIAL DE APOIO AO ESTUDO FORAM EXTRAÍDAS DAS SEGUINTES PUBLICAÇÕES:
MAIA, Luiz P. Arquitetura de Redes de Computadores – 2. ed. – Rio de Janeiro: LTC, 2013
KUROSE, James F. e ROSS, Keith W. Redes de Computadores e a Internet: uma abordagem top-down. 6. ed. São Paulo: Pearson, 2013. 
FOROUZAN, Behrouz A. Comunicação de Dados e Redes de Computadores. 4. ed. São Paulo: McGraw-Hill, 2008.