Protocolos de comunicação de redes baseadas em TCP/IP

Uma das grandes vantagens do TCP/IP em relação a outros protocolos existentes é que ele é roteavel, criado pensando em grandes redes e de longas distancias, onde pode haver vários caminhos para o dado atingir o receptor, a comparação do modelo TCP/IP ao modelo OSI é a seguinte: 

CAMADA DE APLICAÇÃO

Esta camada equivale às camadas 5, 6 e 7 do modelo OSI, Os protocolos mais conhecidos que atuam nessa camada são:

• HTTP(hypertText Transfer Protocol): protocolo de transferencia de hipertexto utilizado para a visualização de paginas na internet
• SMTP(Simple Network Management Protocol): protocolo padrão para o envio de emails atraves da internet, baixa emails que estão armazenados no servidor.
• DNS(Domain Name System): Sistema de gerenciamento de nome hierarquico, resolvendo nomes de dominios em endereços de rede (ips)
• Telnet: protocolo cliente servidor usada para permitir a comunicação entre computadores ligados numa rede

A camada de aplicação comunica-se com a camada de transporte através de uma porta, as portas são numeradas e as aplicações padrão usam sempre uma mesma porta.

O uso de um número de porta permite ao protocolo de transporte(tipicamente TCP) saber qual é o tipo de conteúdo do pacote de dados. Assim, ao receber um pacote destinado à porta 25, o protocolo TCP ira entregá-lo ao protocolo que estiver conectado a esta porta, tipicamente o SMTP.

CAMADA DE TRANSPORTE

A camada de transporte do TCP/IP e equivalente a camada de transporte do modelo OSI. Esta camada é responsável por pegar os dados enviados pela camada de aplicação e transformá-los em pacotes, a serem repassados para a camada de internet. Nesta camada operam dois protocolos : 

• TCP(Transmission Control Protocol) : verifica se os dados são enviados de forma correta, na sequncia apropriada e sem erros.
• UDP (User Datagram Protocol): não verifica se os dados são enviados de forma correta.

como já mencionado, ao contrario do TCP, este segundo protocolo não verifica se o dado chegou ou não ao seu destino, o protocolo mais usado na transmissão de dados e o TCP, enquanto que o o UDP é tipicamente usado na transmissão de informações de controle. Na recepção de dados, a camada de transporte pega os pacotes passados pela camada Internet e trata de colocá-los em ordem e verificar se todos chegaram corretamente, ordenando os dados. 

OBS: 

O protocolo IP não verifica se o pacote de dados enviado chegou ou não ao destino; é o protocolo de transporte (o TCP) que ao remontar a ordem dos pacotes recebidos verifica se está faltando algum.

CAMADA DE INTERNET

A camada de internet do modelo TCP/IP é equivalente à camada 3(Rede) do modelo OSI. Há vários protocolos que podem operar nessa camada : 

• IP(Internet Protocol);
• ICMP(internet Control Message Protocol);
• ARP (Address Resolution Protocol) 
• RARP (Reverse Address Resolution Protocol).

Na transmissão de um dado, o pacote recebido da camada TCP é  dividido em pacotes chamados datagramas. Os datagramas são enviados  para a camada de interface com a rede, onde são transmitidos pelo cabeamento da rede através de quadros. Esta camada e responsável pelo roteamento dos pacotes.

CAMADA DE INTERFACE COM A REDE

Esta camada, que é equivalente às camadas 1 e 2 do modelo OSI, é responsável por enviar o datagrama recebido pela camada de internet em forma de um quadro através da rede. 

ENDEREÇAMENTO IP

Protocolo TCP/IP e roteavel, isto é, ele foi criado pensando-se na interligação de redes. Ele utiliza um esquema de endereçamento lógico chamada endereçamento IP, em rede TCP/IP cada dispositivo conectado em rede necessita usar pelo menos um endereço IP. As redes são interligadas por dispositivos chamados roteadores. Nesse endereço IP há informações de qual a rede onde o pacote deve ser entregue. Quando um computador da rede 1 quer enviar um dado para um computador da rede 2, ele envia o pacote de dados ao roteador 1 que fica responsável por encaminha esse pacote de dados  ao computador de destino. È Assim que as redes baseadas no protocolo TCP/IP funcionam. Elas têm um ponto de saída da rede, também chamado de gateway, que é para onde vão todos os pacotes de dados recebidos e que não são para aquela rede. O endereço IP é um numero de 32 bits, representado em decimal em forma de quatro números de oito bits separados por um ponto, no formato a.b.c.d . O sistema de redes que forma a estrutura básica da internet é chamado de backbone, para sua rede esteja conectada a internet, ela terá que estar conectada a ao backbone. Existem alguns endereços que são conhecido como “Endereços magicos”, que são endereços Ips reservados para redes privada. Assim pode-se montar sua rede sem gerar conflitos com endereços Ips da internet.

CLASSE A : 10.0.0.0  a 10.255.255.255

CLASSEB: 172.16.0.0 a 172.31.255.255

CLASSEC: 192.168.0.0 a 192.168.255.255

ARP (Adress Resolution Protocol)

As redes baseadas no protocolo TCP/IP baseiam-se inteiramente em um endereço virtual. Acontece que as placas de redes das maquinas conectadas a rede operam com o esquema de endereçamento MAC.

O protocolo ARP é responsável por fazer a conversão entre os endereços IPs e os endereços MAC da rede. Em uma rede grande, os pacotes TCP/IP são encaminhados até a rede de destino através do roteadores a que estão conectados atingindo a rede de destino, o protocolo ARP entra em ação para detectar o endereço da placa de rede para a qual o pacote deve ser entregue, já que no pacote há somente o endereço IP de destino e não o endereço da placa de rede. Arp funciona mandando primeiramente uma mensagem broadcast para a rede perguntando, a todas as maquinas, qual responde pelo endereço.

RARP(Reverse Address Resolution Protocol)

Permite que uma maquina decubra um endereço IP atraves de um MAC, fazendo o inverso do ARP.

Quando ligamos um computador, ele não sabe qual é o seu endereço IP. Essa informação estará gravada e algum arquivo de configuração dentro do disco rígido da maquina. Acontece que maquinas que não tenham disco rigido(estações que usem o recurso de boot remoto, que consiste em carregar o sistema operacional através da própria rede em vez de carrega-lo através do disco ) não tem como iniciarem uma comunicação de rede usando o protocolo TCP/IP. Assim em redes TCP/IP com esses tipos de maquinas haverá a necessidade de ser criado um servido RARP.  Esse servidor armazenara uma tabela contendo os endereços MAC das placas de rede presentes na rede e os seus respctivos endereços IP. Após a saber o seu endereço IP, essa informação fica armazenada em sua memória RAM.

IP(Internet Protocol)

O protocolo IP é um protocolo não orientado a conexão, isto é, ele não verifica se o datagrama chegou ou não ao destino. A principal função IP é o roteamento, ou seja, adicionar mecanismo para que o datagrama chegue o mais rapidamente possível ao seu destino. O tamanho dos datagramas são chamados de datagrama.

ICMP(Internet Control Message Protocol)

Caso um roteador não consiga passar adiante um datagrama recebido – por estar congestionado demais ou então por ter zerado o campo de tempo de vida(TTL – time to life) do datagrama, por exemplo – ele precisa informar ao transmissor do datagrama que ocorreu um erro. O mecanismo usado pelos roteadores para informar esse tipo de erro é o uso do protocolo ICMP , apesar de estarmos tratando o ICMP como um assunto a parte, ele é parte integrante do protocolo IP.

O ICMP é somente um mecanismo usado para informar à maquina transmissora da ocorrência de um erro com o datagrama enviado, através de mensagen, ele não se preocupa em corrigir o erro nem tampouco em verificar a integridade dos datagramas do protocolo IP.

UDP(User Data Protocol)

É um protocolo de transporte não orientado à conexões, isto é, ao contrario do TCP, ele não verifica se o pacote de dados chegou ou não ao seu destino. A transmissão de dados via UDP e mais rápida, o tamanho do pacote de dados a ser transmitido fica menor, já que o cabeçalho UDP e menor que o TCP e não existe uma verificação de entrega. Um dos usos mais conhecidos do protocolo UDP é para o envio de mensagens DNS (Domain Name System).

TCP(Transmission Control Protocol)

O protocolo TCP é o mais complexo do sistema de protocolos TCP/IP. Ele recebe os datagramas IP e trata de colocá-los em ordem (já em redes grandes os datagramas geralmente chegam em desordem) e verifica se todos chegaram corretamente.

Porta mais usadas pelo protocolo TCP são :

Ao receber um quadro, a camada de interface com a rede da maquina receptora( o driver e a placa de rede) irá passar os dados para a camada IP, que por  passará os dados para a camada TCP, que passará os dados para a aplicação correta. A camada TCP sabe para qual aplicação ela deve entregar os dados por causa do uso do conceito de portas. Ao receber um pacote de dados,  o protocolo TCP envia uma mensagen de confirmação de recebimento à maquina transmissora, chamada ACKNOWLEDGE (também chamada ack), se o transmissor não receber uma confirmação de recebimento dentro de um determinado tempo(RTT(Round Trip Time)), o pacote é retransmitido. O protocolo TCP é responsável por abrir uma conexão, mantela e fechá-la. A abertura da conexão é feita através de um processo chamado HANDSHAKE (aperto de mao). O transmissor envia um pacote contendo apenas o numero de sequencia e o bit SYN. O receptor pega esse numero de sequencia e confirma o recebimento do pacote, respondendo com um pacote contendo o numero de sequencia e o bits SYN e ACK ativados. O transmissor, ao receber esse pacote, envia um pacote de confirmação de recebimento de volta ao receptor. Procedimento chamado HANDSHAKE de três tempo (tree-way handshake). Cada porta permite o uso de um conceito chamado socket. O  socket define uma conexão dentro de uma porta. Com o uso deste conceito, pode-se ter varias conexões diferentes em uma mesma porta. Assim a camada de aplicação saberá para qual browser deverá entregar os dados recebidos por causa da existência da informação de qual é o socket de destino dentro da área de dados do pacote. Os sockets pode ser ativos e passivos, ativos é aquele que envia dados e um passivo é aquele que recebe dados.

JANELA

Para aumentar o desempenho do envio de pacotes, o protocolo TCP trabalha com o conceito de janelas, com esse conceito, o transmissor pode enviar outros pacotes antes de ter recebido a confirmação de recebimento do primeiro pacote enviado. Neste protocolo a janela não é contada em número de pacotes a serem enviados, mas sim em  numero de bytes a serem enviados. O protocolo TCP utiliza três ponteiros de janela. O primeiro (ponteiro 1) marca o inicio da janela. O segundo (ponteiro 2) separa, dentro da janela, os bytes que foram enviados daqueles que ainda não foram enviados. E o terceiro ponteiro indica o fim da janela. O pacote TCP também é chamado de segmento.

O tamanho padrão do pacote IP é de 576 bytes. Como o cabeçalho Ip padrão possui 20 byts e o cabeçalho TCP padrão também ocupa 20 byts, o tamanho padrão da área de dados dos segmento TCP é de 536 Bytes. O tamanho Máximo da janela TCP é de 64 KB, mas normalmente o valor da janela TCP é inferior a 32 Kb. Por causa da janela, o receptor pode receber os pacotes de dados fora de ordem.

ESTRUTURA DO SEGMENTO TCP

Encontramos os seguintes campos no cabeçalho TCP:

• Porta de Origem : Indica a aplicação que originou o dados
• Porta de Destino : Indica a aplicação para a qual os dados serão entregues no receptor.
• Numero de Sequência: identifica  numero do primeiro byte
• Numero de Confirmação: é o acknowledge(ack), aqui é colocado o numero de sequência do próximo segmento
• HLEN ou Offset : esse campo especifica o tamanho do cabeçalho do pacote
• Reservado: esse campo não é usado
• Bits de Controle ou Bits de Código :  usados para controlo como mostra a tabela

• Tamanho da janela: define o tamanho da janela, definido em bytes.
• Checksum: calcula o tamanho do datagrama.
• Ponteiro Urgente: usado para informar a posição, dentro do segmento, em que os dados urgentes terminam

CHECKSUM

A soma de verificação é um tamanho fixo dado calculado apartir de um bloco arbitraria digital de dados com a finalidade de detectar erros acidentais.

PROTOCOLOS DE APLICAÇÃO

DNS(Domain Name System)

Permite dar nomes a endereços IP, se você pedir o endereço seusite.org e o servidor DNS de sua rede não conhecer esse endereço, ele passará esse pedido parar o servidor superior e assim consequentemente. Na próxima vez o servidor local terá esse endereço armazenado esse processo e conhecido como cachê .pode ocorrer de as informações presentes no cachê do servidor de DNS local estarem desatualizadas. Por isso, quando um servidor hierarquicamente superior responde a um pedido DNS, ele inclui um valor de Tempo de Vida(TTL, time to Live) que informa ao servidor local quanto tempo ele pode ficar com aquelas informações.

As mensagens DNS são tipicamente trocadas usando o protocolo UDP, usando a porta 53.

Campos existentes na mensagem DNS são os seguintes:

• Identificação
• Parâmetros
• Numero de perguntas
• Numero de respostas
• Numero de Autoridades
• Numero de Informações Adicionais

TELNET

È um terminal remoto, onde o micro cliente pode fazer um login em um servidor qualquer que esteja conectado à rede.

Usa  o código ASCII puro para a transmissão de dados, utilizando o protocolo TCP através da porta 23.

FTP(File Transfer Protocol)

É um protocolo usado na transferência de arquivos, utiliza duas porta para se comunicar com o TCP : 21, por onde circulam informações de controle e 20, por onde circulam os dados.

SMTP(Simple Mail Transfer Protocol)

O email é trocado através de um protocolo chamado SMTP(Simple Mail Transfer Protocol).

A mensagem é enviada pelo usuário para o seu servidor de e-mail, que, por sua vez, trata de entregar a mensagem até o destino. Caso o destino esteja inalcançável por algum motivo, o servidor armazena a mensagem e tenta uma nova transmissão mais tarde. Se o servidor ficar inalcançável por muito tempo, o servidor remove a mensagem de sua lista de entrega e envia uma de erro ao remetente. Quando o usuário se conecta à rede, ele poderá transferir o e-mail contido no servidor para o seu micro, para poder ler, editar, responder e criar novas mensagens. Os dois protocolos mais conhecidos para se efetuar essa tarefa são o POP3 e o IMAP4

HTTP(Hypertext Transfer Protocol)

A transferência de documentos hipermidia é feita através do protocolo HTTP. Um servidor WWW hospeda o site, enquanto um cliente faz a requisição dos documetos  lá contidos. Essa transferência e feita usando a porta 80 do protocolo TCP. Esses documentos são escritos em diversas linguagens e o browser é o responsável por interpretar tais linguagens. O mais famoso e o HTML. Primeiro, o cachê , que é a copia dos últimos arquivos acessados no disco rígido do usuário, permite que o browser em vez de ir novamente no servidor busca no disco local. Segundo e chamado de Proxy que permite que uma maquina intermediaria entre o cliente e o servidor funcione como um cachê.

Tanenbaum, Andrew. Redes de Computadores Curso Completo. Campus, 2003.