Capítulo 4: Camada de Rede

Objetivos do capítulo:

• entender os princípios por trás dos serviços da camada de rede:
• modelos de serviço da camada de rede
• repasse versus roteamento
• como funciona um roteador

4: Camada de Rede

4a-1

Capítulo 4: Camada de Rede

• 4. 1 Introdução
• 4.2 Redes de circuitos virtuais e de datagramas
• 4.3 O que há dentro de um roteador
• 4.4 O Protocolo da Internet (IP)
• Formato do datagrama
• Endereçamento IPv4
• ICMP
• IPv6

4: Camada de Rede

4a-2

Camada de rede

• transporta segmentos da estação remetente à receptora
• no lado remetente, encapsula segmentos dentro de datagramas
• no lado receptor, entrega os segmentos para a camada de transporte
• protocolos da camada de rede em todos os sistemas finais e roteadores
• roteadores examinam campos de cabeçalho de todos os datagramas IP que passam por eles

4: Camada de Rede

4a-3

Funções principais da camada de rede

• repasse: move pacotes de uma entrada do roteador para a saída apropriada
• roteamento: determina a rota a ser seguida pelos pacotes da fonte até o destino
• Algoritmos de roteamento

4: Camada de Rede

4a-4

analogia:

• roteamento: processo de planejar uma viagem da origem até o destino
• repasse: processo de atravessar uma encruzilhada durante a viagem

4: Camada de Rede

4a-5

1

2

3

0111

valor no cabeçalho

do pacote que está

chegando

Algoritmo de roteamento

tabela de repasse local

valor cabeçalho

link saída

0100

0101

0111

1001

3

2

2

1

Relacionamento entre roteamento e repasse

Capítulo 4: Camada de Rede

• 4. 1 Introdução
• 4.2 Redes de circuitos virtuais e de datagramas
• 4.3 O que há dentro de um roteador
• 4.4 O Protocolo da Internet (IP)
• Formato do datagrama
• Endereçamento IPv4
• ICMP
• IPv6
• IPSec

4: Camada de Rede

4a-6

Serviços orientados e não orientados para conexão

• rede datagrama provê um serviço de camada de rede sem conexões
• rede circuito virtual provê um serviço de camada de rede orientado para conexões
• análogos aos serviços da camada de transporte (TCP/UDP), mas:
• Serviço: host-a-host
• Sem escolha: rede provê ou um ou o outro
• Implementação: no núcleo da rede

4: Camada de Rede

4a-7

Redes de circuitos virtuais

• estabelecimento de cada chamada antes do envio dos dados
• cada pacote tem ident. de CV (e não endereços origem/dest)
• cada roteador no caminho da-origem-ao-destino mantém “estado” para cada conexão que o atravessa
• recursos de enlace, roteador (banda, buffers) podem ser alocados ao CV (recursos dedicados = serviço previsível)

“caminho da-origem-ao-destino se comporta como um circuito telefônico”

• em termos de desempenho
• em ações da rede ao longo do caminho da-origem-ao-destino

​

4: Camada de Rede

4a-8

Circuitos virtuais: �protocolos de sinalização

• usados para estabelecer, manter, destruir CV
• usados em ATM, frame-relay, X.25
• não usados na Internet convencional

4: Camada de Rede

4a-9

1. inicia chamada

2. chegada de chamada

3. chamada aceita

4. conexão completa

5. começa fluxo de dados

6. dados recebidos

Rede de datagramas: o modelo da Internet

• não requer estabelecimento de chamada na camada de rede
• roteadores: não guardam estado sobre conexões fim a fim
• não existe o conceito de “conexão” na camada de rede
• pacotes são repassados tipicamente usando endereços de destino
• 2 pacotes entre o mesmo par origem-destino podem seguir caminhos diferentes

4: Camada de Rede

4a-10

1. envia dados

2. recebe dados

Tabela de repasse

4: Camada de Rede

4a-11

endereço IP de destino no

cabeçalho do pacote que chega

algoritmo de roteamento

tabela de repasse local

endereço dest

link saída

faixa-endereços 1

faixa-endereços 2

faixa-endereços 3

faixa-endereços 4

3

2

2

1

Tabela de repasse

4: Camada de Rede

4a-12

Faixa de endereços de destino

​

11001000 00010111 00010000 00000000

até

11001000 00010111 00010111 11111111

​

11001000 00010111 00011000 00000000

até

11001000 00010111 00011000 11111111

​

11001000 00010111 00011001 00000000

até

11001000 00010111 00011111 11111111

​

caso contrário

Interface de

saída

​

​

0

​

​

​

1

​

​

​

2

​

​

3

​

Capítulo 4: Camada de Rede

• 4. 1 Introdução
• 4.2 Redes de circuitos virtuais e de datagramas
• 4.3 O que há dentro de um roteador
• 4.4 O Protocolo da Internet (IP)
• Formato do datagrama
• Endereçamento IPv4
• ICMP
• IPv6

4: Camada de Rede

4a-13

Sumário da Arquitetura de Roteadores

Duas funções chave de roteadores:

• rodam algoritmos/protocolos de roteamento (RIP, OSPF, BGP)
• repassam datagramas do enlace de entrada para o de saída

4: Camada de Rede

4a-14

Processador de roteamento

portas de entrada

portas de saída

plano de repasse dos dados (hardware)

roteamento, gerência

plano de controle (software)

tabelas de repasse são calculadas

e enviadas para as portas de entrada

Funções das Portas de Entrada

Comutação descentralizada:

• dado o dest. do datagrama, procura porta de saída usando tab. de rotas na memória da porta de entrada
• meta: completar processamento da porta de entrada na ‘velocidade da linha’
• filas: se datagramas chegam mais rápido que taxa de re-envio para elemento de comutação

4: Camada de Rede

4a-15

Camada física:

recepção de bits

Camada de enlace:

p.ex., Ethernet

veja capítulo 5

Portas de Saída

• enfileiramento necessário quando datagramas chegam do elemento de comutação mais rapidamente do que a taxa de transmissão
• disciplina de escalonamento escolhe um dos datagramas enfileirados para transmissão

4: Camada de Rede

4a-16

Capítulo 4: Camada de Rede

• 4. 1 Introdução
• 4.2 Redes de circuitos virtuais e de datagramas
• 4.3 O que há dentro de um roteador
• 4.4 O Protocolo da Internet (IP)
• Formato do datagrama
• Endereçamento IPv4
• ICMP
• IPv6

4: Camada de Rede

4a-17

A Camada de Rede na Internet

Funções da camada de rede em estações, roteadores:

4: Camada de Rede

4a-18

Camada de transporte: TCP, UDP

Camada de enlace

Camada física

Camada

de rede

Formato do datagrama IP

4: Camada de Rede

4a-19

ver

comprimento

32 bits

dados

(comprimento variável,

tipicamente um segmento �TCP ou UDP)

ident. 16-bits

checksum� Internet

sobre-�vida

endereço IP de origem 32 bits

número da versão �do protocolo IP

comprimento do

cabeçalho (bytes)

número máximo

de enlaces restantes

(decrementado a

cada roteador)

para

fragmentação/

remontagem

comprimento total �do datagrama

(bytes)

protocolo da camada�superior ao qual

entregar os dados

comp.�cab

tipo de

serviço

“tipo” dos dados (DS)

bits

início do fragmento

camada

superior

endereço IP de destino 32 bits

Opções (se tiver)

p.ex. marca de

tempo,

registrar rota

seguida, especificar

lista de roteadores

a visitar.

IP: Fragmentação & Remontagem

• cada enlace de rede tem MTU (max.transmission unit) - maior tamanho possível de quadro neste enlace.
• tipos diferentes de enlace têm MTUs diferentes
• datagrama IP muito grande dividido (“fragmentado”) dentro da rede
• um datagrama vira vários datagramas
• “remontado” apenas no destino final
• bits do cabeçalho IP usados para identificar, ordenar fragmentos relacionados

4: Camada de Rede

4a-20

fragmentação:

entrada: um datagrama

grande

saída: 3 datagramas � menores

remontagem

Capítulo 4: Camada de Rede

• 4. 1 Introdução
• 4.2 Redes de circuitos virtuais e de datagramas
• 4.3 O que há dentro de um roteador
• 4.4 O Protocolo da Internet (IP)
• Formato do datagrama
• Endereçamento IPv4
• ICMP
• IPv6

4: Camada de Rede

4a-21

Endereçamento IP: introdução

• endereço IP: ident. de 32-bits para interface de estação, roteador
• interface: conexão entre estação, roteador e enlace físico
• roteador típico tem múltiplas interfaces
• estação típica possui uma ou duas interfaces (ex.: Ethernet e Wi-fi)
• endereços IP associados a cada interface

4: Camada de Rede

4a-22

223.1.1.1

223.1.1.3

223.1.1.4

223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2

223.1.3.1

223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001 00000001

223

1

1

1

Subredes

• endereço IP:
• parte de rede (bits de mais alta ordem)
• parte de estação (bits de mais baixa ordem)
• O que é uma subrede IP?
• interfaces de dispositivos com a mesma parte de subrede nos seus endereços IP
• podem alcançar um ao outro sem passar por um roteador intermediário

4: Camada de Rede

4a-23

223.1.1.1

223.1.1.2

223.1.1.3

223.1.1.4

223.1.2.9

223.1.2.2

223.1.2.1

223.1.3.2

223.1.3.1

223.1.3.27

rede composta por 3 subredes

subrede

Endereçamento IP: CIDR

• CIDR: Classless InterDomain Routing (Roteamento Interdomínio sem classes)
• parte de rede do endereço de comprimento arbitrário
• formato de endereço: a.b.c.d/x, onde x é o no. de bits na parte de subrede do endereço

4: Camada de Rede

4a-24

parte de

estação

11001000 00010111 00010000 00000000

parte de

subrede

200.23.16.0/23

DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol

Objetivo: permitir ao host obter dinamicamente o seu endereço IP do servidor da rede quando entra na rede

• pode renovar o empréstimo pelo uso do endereço
• permite a reutilização de endereços (retém o endereço apenas enquanto estiver conectado)
• suporte a usuários móveis que queiram entrar na rede (mais brevemente)

Visão geral do DHCP:

• host envia em broadcast msg “DHCP discover” [opcional]
• servidor DHCP responde com msg “DHCP offer” [opcional]
• host solicita endereço IP: msg “DHCP request”
• servidor DHCP envia endereço: msg “DHCP ack”

​

Network Layer

4-25

cenário DHCP cliente-servidor

Network Layer

4-26

223.1.1.0/24

223.1.2.0/24

223.1.3.0/24

223.1.1.1

223.1.1.3

223.1.1.4

223.1.2.9

223.1.3.2

223.1.3.1

223.1.1.2

223.1.3.27

223.1.2.2

223.1.2.1

Servidor

DHCP

DHCP cliente que chega necessita um endereço nesta rede

cenário DHCP cliente-servidor

Network Layer

4-27

servidor DHCP : 223.1.2.5

cliente que chega

time

DHCP offer

src: 223.1.2.5, 67

dest: 255.255.255.255, 68

yiaddrr: 223.1.2.4

transaction ID: 654

Lifetime: 3600 secs

DHCP request

src: 0.0.0.0, 68

dest:: 255.255.255.255, 67

yiaddrr: 223.1.2.4

transaction ID: 655

Lifetime: 3600 secs

DHCP ACK

src: 223.1.2.5, 67

dest: 255.255.255.255, 68

yiaddrr: 223.1.2.4

transaction ID: 655

Lifetime: 3600 secs

Capítulo 4: Camada de Rede

• 4. 1 Introdução
• 4.2 Redes de circuitos virtuais e de datagramas
• 4.3 O que há dentro de um roteador
• 4.4 O Protocolo da Internet (IP)
• Formato do datagrama
• Endereçamento IPv4
• ICMP
• IPv6

4: Camada de Rede

4a-28

Protocolo de Mensagens de Controle da Internet (ICMP)

• usado por estações, roteadores para comunicar informação s/ camada de rede
• relatar erros: estação, rede, porta, protocolo inalcançáveis
• pedido/resposta de eco (usado por ping)
• camada de rede “acima de” IP:
• msgs ICMP transportadas em datagramas IP
• mensagem ICMP: tipo, código mais primeiros 8 bytes do datagrama IP causando erro

4: Camada de Rede

4a-29

Tipo Código descrição

0 0 resposta de eco (ping)

3 0 rede dest. inalcançável

3 1 estação dest. inalcançável

3 2 protocolo dest. inalcançável

3 3 porta dest. inalcançável

3 6 rede dest. desconhecida

3 7 estação dest. desconhecida

4 0 abaixar fonte (controle de � congestionamento - ñ usado)

8 0 pedido eco (ping)

9 0 anúncio de rota

10 0 descobrir roteador

11 0 TTL (sobrevida) expirada

12 0 erro de cabeçalho IP

​

Traceroute e ICMP

• Origem envia uma série de segmentos UDP para o destino
• Primeiro tem TTL =1
• Segundo tem TTL=2, etc.
• Número de porta improvável
• Quando n-ésimo datagrama chega ao n-ésimo roteador:
• Roteador descarta datagrama
• Envia p/ origem uma mensagem ICMP (tipo 11, código 0)
• Mensagem inclui nome e endereço IP do roteador

• Quando a mensagem ICMP chega, origem calcula RTT
• Traceroute faz isto 3 vezes

Critério de parada

• Segmento UDP eventualmente chega à estação destino
• Destino retorna pacote ICMP “porta inalcançável” (tipo 3, código 3)
• Quando origem recebe este pacote ICMP, pára.

4: Camada de Rede

4a-30

3 probes

3 probes

3 probes

Capítulo 4: Camada de Rede

• 4. 1 Introdução
• 4.2 Redes de circuitos virtuais e de datagramas
• 4.3 O que há dentro de um roteador
• 4.4 O Protocolo da Internet (IP)
• Formato do datagrama
• Endereçamento IPv4
• ICMP
• IPv6

4: Camada de Rede

4a-31

IPv6

• Motivação inicial: espaço de endereços de 32-bits em breve completamente alocado.
• Esgotou em 2011 na ICANN
• Motivação adicional:
• formato do cabeçalho facilita acelerar processamento/repasse
• mudanças no cabeçalho para facilitar QoS

​

formato do datagrama IPv6:

• cabeçalho de tamanho fixo de 40 bytes
• não admite fragmentação

4: Camada de Rede

4a-32

Espaço de Endereçamento

• Um endereço IPv4 é formado por 32 bits.
• 2³² = 4.294.967.296

​

• Um endereço IPv6 é formado por 128 bits.
• 2¹²⁸ = 340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.768.211.456
• ~56 octilhões (5,6 x 10²⁸) de endereços IP por ser humano
• ~79 octilhões (7,9 x 10²⁸) de vezes a quantidade de endereços IPv4

​

​

4: Camada de Rede

4a-33