Redes
Conceitos Básicos
Comunicação de dados é troca de informação entre dois dispositivos através de um meio de comunicação
Sistema básico de Comunicação
Transmissor
Mensagem: Informação; texto, números, imagem, audio, video etc
Protocolo: Conjunto de regras que governa a comunicação; acordo entre dispositivos
Meio: Caminho físico
Receptor
Linhas de Comunicação: Ponto a ponto, Multiponto (cliente/servidor)
Métodos de Transmissão de Dados
Simplex (unidirecional)
Half-duplex (bidirecional alternado)
Full-duplex (bidirecional simultânea)
Tolerância a falhas: Limitar o número de dispositivos afetados durante uma falha; recuperação rápida; load balancer
Redundância: Vários caminhos para um destino; se um caminho falhar, as mensagens serão instantaneamente enviadas por um link diferente
Comutação de Pacotes: Divide dados do tráfego em pacotes; cada pacote tem as informações do endereço de origem e destino da mensagem
Qualidade de serviço (QoS): Classifica o tráfego em categorias (voz, vídeo, dados críticos) e atribui prioridades; chamadas VoIP recebem maior prioridade; faz gerenciamento de largura de banca, aloca recursos conforme necessidades; controle de latência
Estrutura de Redes
Servidores: Se conectam diretamente a internet; armazenam e fornecem conteúdos requisitados por clientes
ISP (Internet Service Provider): Conectam os clientes aos servidores; fornecem conexão de cabos
Internet ➡ Infraestrutura Web ➡ Serviço construído sobre a infraestrutura
Meios de Transmissão de dados
➡ Cabeamento de Cobre (pulsos elétricos)
Interconexão de dispositivos de LAN (switches, roteadores e access points)
Cabo coaxial
Cabo par-trançado
UTP - não blindado
STP - blindado
➡ Fibra óptica (pulsos de luz)
Transmite dados por longas distâncias e a larguras de banda mais altas
Monomodo (SMF)
Multiumodo (MMF)
➡ Wireless (frequências de ondas eletromagnéticas)
Conexão de dispositivos sem fio em uma LAN
Wi-Fi
Bluetooth
WiMAX
Zigbee (IoT)
Representações
Placa de interface de rede (NIC): Conecta fisicamente ou virtualmente o dispositivo final à rede (wi-fi também é NIC)
Porta física: Conector ou tomada em um dispositivo de rede onde a mídia se conecta a um dispositivo final ou outro dispositivo de rede
Interface: Portas especializadas em um dispositivo de rede que se conectam a redes individuais
Largura de Banda (Bandwidth)
Não é a velocidade em que os dados trafegam na rede
Mas sim a medida da quantidade de dados que é transferida em 1s
Medido em bits por segundo (bps)
Latência: Qnt tempo (incluindo atrasos) para dados viajarem de um ponto a outro
Rendimento: Medida da transferência de bits através de um meio físico durante um tempo x
Goodput: Medida de dados úteis transferidos por um tempo x
Goodput = Throughput−sobrecarga de traˊfego
Taxa de Transferência (Throughput)
Quantidade real de dados úteis transmitidos por um meio em um período, considerando perdas e overheads
Sempre menor ou igual à largura de banda
Classificação de Redes
Topologia
Não existe necessariamente ligação entre topologia física e lógica
Topologia Física ➡ Como uma rede se comunica com diversos dispositivos
Barramento / Bus: Compartilham mesmo cabo; dificuldade para expansões; ao desconectar qualquer cabo, rede inteira fica inoperante; estrutura barata, antiga e não mais utilizada
Ring: Semelhante ao barramento, porém em formato circular; cada nó da rede atua como um "buster" reforçando o sinal e mantendo a direção do fluxo; se um nó falhar a rede a partir dele fica inoperante
Star: Cada nó conectado a um elemento central (hub ou switch); de fácil implantação e expansão; a rede só fica inoperante se o equipamento central falhar
Malha / Mesh: Cada nó coopera com toda rede, se conectando diretamente com outros nós e criando uma "malha" complexa; redundância entre nós conectados ao original
Raramente utilizados em LANs pela complexidade da implementação
A Internet (WAN) é um exemplo de rede mesh, porém de roteadores
Topologia Lógica ➡ Como dados são transmitidos através da rede
Arcnet: Token ring lógico; utilizada na 1ª era de microcomputadores nos anos 80, não mais utilizada; transmissão de 2,5 Mbps
Token Ring: Desenvolvida pela IBM; apenas uma máquina pode enviar pacotes (token) de cada vez; eficiente com grande volumes de dados; custo elevado; transmissão de 16 Mbps
Ethernet: Consórcio entre a DEC, Intel e Xerox; topologias físicas de estrela ou barramento; atualmente adotada por toda a Internet
Abrangência
Dispositivos de Rede
Host: Qualquer dispositivo que envia ou recebe tráfego; identificado por um endereço IP
Clientes: Inicia requisições
Servidores: Responde requisições
Definição de cliente e servidor depende da comunicação em que ocorre
Servidor web tem papel de servidor para requisições feitas por um browser cliente
O mesmo servidor web, ao atualizar seus arquivos fazendo uma requisição a um servidor de arquivos, atua como cliente nesta comunicação
Elementos de Interconexão
Hubs e Switches são utilizados dentro de LANs. Para troca de dados fora da própria rede, é necessário a leitura de endereços IP, que é feita pelo Roteador.
Repetidor / Hub
Cria conexão entre dispositivos em uma rede interna
Dispositivo não inteligente, não diferencia conexões nas portas; repete pacotes para todos os hosts conectados (broadcast)
Os dispositivos ligados através de um repetidor se encontram em um mesmo domínio de colisão e de broadcast
Frames podem ser enviados por uma longa distância
Soluciona problemas causados pela distorção dos sinais (ruído, atenuação e eco)
Um repetidor introduz sempre um retardo na rede ➡ O número de repetidores em uma rede é limitado, no máximo 2
Em redes com topologia em barramento deve-se evitar caminhos fechados, pois os sinais podem ser retransmitidos infinitamente
Switch
Cria conexão entre dispositivos em uma rede interna
Atribui endereço MAC de cada host a uma porta e armazena em uma tabela
Segmentação da rede ➡ Divide um domínio de colisão em dois ou mais domínios menores
Cada porta do switch corresponde a um domínio de colisão diferente
Velocidade interna bastante elevada
Suporte a diversos tipos de interfaces
Realiza comutação de quadros
Implementação por software e hardware
Roteador
Conecta duas ou mais LAN’s
Gerencia o tráfego de uma rede local e controla o acesso aos seus dados, de acordo com administrador da rede
Pode ser uma máquina dedicada (equipamento de rede específico) ou pode um software instalado em um computador
Implementado no nível de rede
Retransmite pacotes entre várias redes (contém switch interno)
Filtragem e retransmissão baseada em endereço de rede (ex: IP)
Utiliza protocolo de roteamento para construir a tabela de roteamento
Fundamental para conexões WAN
Permite interligar redes com diferentes tecnologias
Divide um domínio de broadcast em dois ou mais domínios de broadcast menores
Access Point
Hub sem fio (wireless)
Repete sinal do Roteador para dispositivos sem fio
Modelos de Referência
Modelos de referência para delegar responsabilidades as camadas da comunicação de redes
Comunicação ocorre nas duas direções das camadas
Para baixo ➡ Encapsulamento
Para cima ➡ Desencapsulamento
Internet utiliza pilha de protocolos mista
Pilha de Protocolos da Internet ➡ Modelo OSI + Modelo TCP/IP
PDU ➡ Protocol Data Unit
Modelo OSI
Open Systems Interconnection
Desenvolvido pela International Organization for Standardization (ISO) no final da década de 1970
Padronização para os protocolos de rede
Cada camada é responsável por um protocolo específico
Encapsulamento: Cada camada recebe as informações da camada imediatamente superior, acrescenta informações pelas quais é responsável, e passa para a camada inferior
Modelo TCP/IP
Conjunto de padrões de redes que permitem interconexão de redes e sistemas heterogêneos
Redes físicas com diferentes tecnologias de acesso
Divide e organiza os problemas de comunicação em camadas hierárquicas
Cada camada é responsável por uma função específica e usa as funções oferecidas pelas camadas inferiores
Arquitetura de Rede: Combinação dos diversos protocolos nas várias camadas
Camada de Aplicação
Sockets: Porta de saída das aplicações
Arquiteturas de Aplicação
Cliente/Servidor
Apresenta hierarquia, servidor comanda
Não há comunicação entre clientes
Mais rápido e mais seguro ➡ GPO
Cliente: Qualquer computador conectado a uma rede que possuem um endereço IP
Servidor: Computadores com software para fornecer informações requisitadas pelos clientes e hardware específico para suportar muitas requisições
Peer to Peer (P2P)
Não há hierarquia, qualquer computador conectado na rede pode ser cliente e servidor
Um computador pode se comunicar com qualquer outro computador na rede
Fácil implementação; menor custo
Menos segura; não escalável
Protocolos
DNS
Domain Name System
Serviço automatizado que traduz nomes de domínios em endereços de rede numérico (IPv4 ou IPv6)
Inclui formato para consultas, respostas e dados e usa os registros de recursos (RR) para identificar o tipo de resposta DNS
Comunicações utilizam formato único chamado mensagem, utilizado para todos os tipos de consultas de cliente, respostas de servidor, mensagens de erro e transferência de informações entre servidores
Primeiramente o servidor DNS procura em seus próprios registros Se não puder resolver, entra em contato com outros servidores
Hierarquia DNS
URL (Uniform Resource Locator)
Endereço de recurso único na Web
scheme > protocolo
authority
domain name > servidor requisitado
port
porta para o arquivo
parâmetros
âncora > área específica da página
HTTP / HTTPS
Hypertext Transfer Protocol Secure Hypertext Transfer Protocol
Protocolo para visualização de páginas web
Ao buscar uma URL em um navegador, este estabelece uma conexão com o serviço Web utilizando o protocolo HTTP
HTTP utiliza texto puro na transferência de dados; método inseguro
HTTPS adiciona a camada de segurança com o protocolo SSL (Segure Sockets Layer)
SSL utiliza chave pública para criptografar dados na comunicação
Cliente requisita certificado SSL ao servidor para validar identidade autenticidade do website
HTTPS também utiliza o protocolo TLS (Transport Layer Security), sucessor do SSL
Autentica servidor, cliente e criptografa dados
HTTP/2
Nova versão do HTTP, mais rápida
A forma como os dados são enviados é diferente, em formato binário, headers comprimidos e múltiplas requisições podem ser enviadas na mesma conexão
Métodos, códigos de status, corpo de requisição/resposta e headers mantém o mesmo; muda apenas o host header
Muitos softwares (CDNs, ngix) permitem clientes conectarem com HTTP/2 mesmo se o servidor só suportar HTTP/1.1
Request / Response
GET ➡ Requisição do cliente para obter dados
POST ➡ Requisição para enviar arquivos de dados para o servidor como formulários de dados
PUT ➡ Carrega recursos ou conteúdos para o servidor
FTP
File Transfer Protocol
Protocolo para transferência de arquivos
Primeiro o cliente estabelece uma conexão para controle de tráfego, utilizando a porta TCP 21
Depois o cliente estabelece uma segunda conexão para transferência de dados, utilizando a porta TCP 20; conexão criada toda vez que houver dados a serem transferidos
Transferência de dados pode acontecer em ambas direções; download de dados do servidor ou upload de dados para o servidor
Protocolos de E-mail
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)
Protocolo utilizado para envio de email
Exige cabeçalho de mensagem, com o endereço de email do destinatário, e um corpo, contendo a mensagem
Cliente utiliza protocolos POP e IMAP para recuperação de emails do servidor -> Envia requisição para conexão TCP com servidor
POP (Post-Office Protocol)
Mensagens de email são baixadas para o cliente e removidas do servidor
Não há local centralizado para manter os emails
IMAP (Internet Message Transfer Protocol)
Mensagens originais são mantidas no servidor até que sejam excluídas manualmente
Cliente de email exibe cópias de mensagens
Usuários podem criar hierarquia de arquivos para organização que é duplicada entre servidor e cliente de email
Quando usuário exclui mensagem, o servidor sincroniza a ação e exclui no servidor
DHCP
Dynamic Host Configuration Protocol
Servidor que fornece dinamicamente informações de configuração de IPv4 aos clientes
Também atribui uma máscara de sub-rede, um gateway padrão e um servidor DNS
Host envia broadcast na rede para requisitar um endereço IP
Possui um escopo com o intervalo de endereços IP que pode alocar (emprestar)
Cada IP tem um tempo limitado para pertencer a um host
Ao final do tempo limite, o host solicita renovação do endereço IP, confirmando que ainda esta em uso
Caso não solicite a renovação, o endereço IP fica disponível novamente no pool do servidor DHCP
Assegura que o servidor DHCP não fique sem endereços IP
Operação / Negociação
Host ➡ Broadcast com DHCP DISCOVER
Servidor ➡ Resposta com DHCP OFFER
Host ➡ Resposta com DHCP REQUEST
Servidor ➡ Confirmação com DHCP PACK
SMB / SAMBA
Server Message Block
Protocolos para compartilhamento de arquivos e impressoras
SAMBA é a versão do protocolo para sistemas UNIX/LINUX
Descreve estrutura de recursos de rede compartilhados (diretórios, arquivos, impressoras e portas seriais)
Protocolo Requisição/Resposta
Diferente do FTP, clientes estabelecem conexão de longo prazo com os servidores
Após conexão, cliente pode acessar recursos no servidor como se fosse local
Camada de Transporte
TCP
UDP
Usado por DNS, DHCP, TFTP, NFS e SNMP
Protocolo de camada de transporte não orientado à conexão, sobrecarga muito mais baixa que o TCP
Usado com aplicações em tempo real, como streaming de mídia ou VoIP
Usado para situações onde não é necessário uma confirmação do recebimento do pacote
Especifica porta para programa que deve receber o pacote
Checksum = parte do cabeçalho que verifica se dados estão corrompidos ou não, a partir da soma dos bits
IP leva o pacote até o computador certo, mas UDP leva o pacote até o programa correto naquele computador
Camada de Rede / Internet
Fornece serviços para permitir que dispositivos finais troquem dados
Protocolos
IP
Internet Protocol
Fornece funções necessárias para entregar um pacote de um host de origem a um host de destino por meio de interconexão de redes
Endereço IP é determinado pelo protocolo da Camada de Rede -> Visa facilitar o roteamento
Para enviar e receber dados através da rede, é necessário ambos os endereços IP e MAC
Embora os pacotes IP sejam enviados com informações sobre o local da entrega, eles não contêm informações para confirmar a entrega ao remetente
Independente de Mídia (meio físico)
ARP
Address Resolution Protocol
Solicitações ARP são utilizadas para determinar o endereço MAC de um host a partir de um endereço IP (dispositivo correspondente envia resposta ARP)
Todos os hosts na sub-rede recebem e processam solicitações ARP
Qualquer cliente pode enviar uma resposta ARP não solicitada denominada "ARP gratuito". Outros hosts na sub-rede armazenam o endereço MAC e o endereço IP contidos no ARP gratuito em suas tabelas ARP
ICMP
Internet Control Message Protocol
Desenvolvido para transportar mensagens de diagnóstico e relatar condições de erro quando rotas, hosts e portas não estão disponíveis
Camada de Enlace de Dados
Prepara os dados da rede para a rede física
Responsável pelas comunicações NIC para NIC dentro da mesma rede
Nó ➡ Dispositivo que pode receber, criar, armazenar ou encaminhar dados por um caminho de comunicação; pode ser um dispositivo final ou intermediário
Endereços Físicos
Os endereços físicos não indicam em qual rede o dispositivo está localizado. Um dispositivo ainda funcionará com o mesmo endereço físico da Camada 2, mesmo que se mova para outra rede ou sub-rede.
Endereços de Camada 2 são usados apenas para conectar dispositivos dentro da mesma mídia compartilhada, na mesma rede IP.
Padrões IEEE 802 LAN/MAN: Específicos para LANs Ethernet, WLANs, WPAN e outros tipos de redes locais e metropolitanas;
➡ Subcamadas do Padrão IEEE 802:
Logical Link Control (LLC): Comunica entre o software de rede nas camadas superiores e o hardware do dispositivo nas camadas inferiores; identifica qual protocolo de camada de rede está sendo usado para o quadro
permite que vários protocolos como IPv4 e IPv6 usem a mesma interface de rede e mídia
Controle de Acesso a Mídia (MAC): Implementa a subcamada (IEEE 802.3, 802.11 ou 802.15) no hardware; responsável pelo encapsulamento de dados e controle de acesso à mídia; fornece endereçamento de camada de link de dados e é integrado com tecnologias de camada física
Atualizado