Redes de Computadores: Protocolos, Topologias e Segurança

A Internet: Papel e Características Essenciais

A Internet desempenha cada vez mais um papel importante no mundo das comunicações.

Características Principais das Redes da Internet

É um conjunto de redes heterogéneas interligadas entre si, independentes de tecnologias e meio físico de transmissão. Utiliza os protocolos IP, TCP e/ou UDP.

Protocolo TCP: Características e Utilização na Internet

O protocolo TCP é um protocolo orientado à ligação (camada de transporte - 4 do modelo OSI). Faz controlo de erros, fluxo e sequência, de extremidade a extremidade.

Protocolo IP: Características e Função na Internet

É um protocolo da camada de rede (3 – modelo OSI), não orientado à ligação, não faz controlo de erros e não garante QoS. Faz o encaminhamento dos pacotes IP e verifica os erros nos cabeçalhos dos pacotes.

Endereços IP: Estrutura e Atribuição

Todos os elementos da rede (PCs, routers) possuem um endereço IP único, atribuído por entidade coordenadora (IANA). Todos os endereços IPv4 possuem um comprimento de 32 bits, divididos em 3 campos:

• Identificador de classe de endereço
• Número de identificação de rede
• Número de identificação de Host (elementos terminais da rede)

Protocolo MPLS: Características e Interação com IP

É um protocolo que permite o encapsulamento de protocolos de rede, orientado à ligação com base na label atribuída ao pacote. Utiliza um cabeçalho MPLS anexado ao pacote IP, caracterizado por tamanho constante e mais simples do que o cabeçalho IP, possibilitando um processamento mais rápido nos routers MPLS.

Tem como objetivo disponibilizar mecanismos de garantia de QoS no transporte de pacotes em redes IP, fazendo o encaminhamento de pacotes nas redes MPLS com base na label atribuída aos mesmos em função dos requisitos de QoS das respetivas aplicações.

Protocolos Auxiliares de IP: ICMP

É um protocolo de controlo e testes para:

• Gestão de rede
• Teste de acessibilidade de destinos (redes ou terminais)
• Transporte de alterações de tabelas de routing
• Criação de estatísticas

Ex: aplicação Ping.

Protocolos Auxiliares de IP: ARP

É utilizado para obter endereço físico (MAC), a partir do endereço IP. Funcionamento do ARP:

1. Envia mensagem em broadcast com o IP do terminal a todos os terminais.
2. Apenas responde o terminal correspondente (com MAC).
3. Cache ARP no router da LAN, mantém tabela com associação IP/MAC.

Protocolos: Objetivos e Funcionamento

Objetivos:

• Possibilitar comunicação entre diferentes tipos de terminais.
• Suporte à abstração de complexidade da comunicação (utilizadores apenas têm de saber interagir com a aplicação).

Funcionamento:

• Modularidade: tarefas da rede distribuídas por camadas, em que a funcionalidade de cada camada só tem impacto na mesma. A camada superior limita-se a chamar a funcionalidade e esperar os seus outputs.
• Hierarquização: cada camada interage apenas com as camadas vizinhas.

Estabelecimento de Redes: Opções e Meios de Transmissão

No estabelecimento de uma rede de computadores poderão ser escolhidas várias opções.

Meios de Transmissão em Redes de Computadores

Fio de Cobre, Cabo Coaxial, Fibra Óptica e Sem Fios.

Vantagens da Fibra Óptica como Meio de Transmissão

A transmissão de dados através de Fibra Óptica tem como vantagens:

• Uma maior velocidade de transmissão.
• Imunidade a interferências, proporcionando melhor qualidade.
• Menor necessidade de repetidores devido à baixa atenuação.

Vantagens do Meio de Transmissão Sem Fios

Em locais de difícil instalação de cablagens, em instalações provisórias, para utilizadores que tenham necessidade de mobilidade e poupança em custos com cablagens.

Redes RDIS: Desempenho e Serviços Suplementares

As redes RDIS vieram possibilitar um melhor desempenho das redes de computadores.

Motivações para a Utilização de Terminais RDIS

A maior qualidade (digital) e velocidade de transmissão – 64 Kbps. A integração de diferentes serviços numa única rede e acessos simultâneos.

Serviços Suplementares da RDIS e Exemplos

Uma das principais características da RDIS é a disponibilidade dos seus serviços suplementares. Quatro desses tipos de serviços, com exemplos:

• Multi-utilizador: Conferência.
• Identificação de chamada: CLIP (apresentação do número de origem).
• Oferta de chamada: Serviço de reencaminhamento de chamadas (imediato, etc.).
• Estabelecimento de chamada: Chamada em espera.

Métodos de Acesso 'Com Competição' em Redes Partilhadas

As características operacionais que aconselham a utilização de métodos de acesso “Com Competição”, em redes com meios de transmissão partilhados, são o transporte de dados não sensíveis a atrasos temporais e a existência de pouco tráfego na rede.

Polling (Escrutínio)

Computador central interroga periféricos que pretendem transmitir mensagem, só o podendo fazer nesse instante.

• Desvantagem: possível tempo de espera.

Token

Padrão de bits (testemunho) que circula na rede. Computadores só podem transmitir quando o testemunho passar por eles. Ex: Token Ring.

Slots

Dividir acesso a recursos da rede em intervalos a atribuir a todos os computadores. Apropriado para redes com mais tráfego:

• Aplicações prioritárias.
• Cenários de controlo de rede.

Topologias de Rede para Melhor Desempenho

A topologia que escolheria para conseguir um melhor desempenho da rede seria a Malha Completa, porque todos os nós estão ligados entre si, não havendo quebras na rede, mesmo que um dos nós falhe, já que os outros nós asseguram a comunicação.

Permite ligações simultâneas e menos atrasos.

Vantagens da Topologia em Estrela com Switch

A transmissão de dados através de Fibra Óptica tem como vantagens:

• Fácil expansão.
• Possibilidade de estabelecer ligações simultâneas.
• O seu bom desempenho, devido às ligações não serem partilhadas por todos os computadores da rede e de as comunicações terem um atraso máximo dependente de um nó central.
• Menos colisões e menos atrasos.

Topologia de Rede: Anel

Cada nó está ligado a dois nós. Os nós são mais complexos, têm função ativa:

• Função de conectividade da rede.
• A falha de um nó pode originar problemas em todo o anel.
• A inserção ou remoção de nó não é imediata.
• Nós podem ter função de repetidor.

Requer mecanismo de controlo de acesso ao meio (ex: Token Ring).

Vantagens da Topologia em Estrela vs. Bus

Melhor desempenho, devido às ligações não serem partilhadas, o que permite maior velocidade com menos colisões.

Separação de tráfego.

Protocolos de Comunicação e Qualidade de Serviço (QoS)

Funcionalidades dos Protocolos de Comunicação

Os protocolos de comunicação são caracterizados por diversas funcionalidades.

Serviços Orientados e Não Orientados à Ligação

Os serviços orientados à ligação foram modelados a partir do sistema telefónico, com ligação em 3 fases: 1) Estabelecimento, 2) Transferência de Dados, e 3) Terminação. Em que todas as mensagens da mesma ligação têm o mesmo percurso. Garante a ordem cronológica na chegada.

São apropriados para aplicações mais prioritárias, como transferência de dados por circuito virtual.

Os serviços não orientados à ligação foram modelados a partir do sistema de correio postal, em que a comunicação é feita a partir de mensagens independentes. Têm o mesmo destino, mas percursos diferentes, não garantindo a ordem cronológica na chegada. Só pode ser utilizado em comutação de pacotes e mensagens, em aplicações menos prioritárias, tais como: ping.

Vantagens da Transmissão de Mensagens em Pacotes

As vantagens de se dividir e transmitir as mensagens em pacotes mais pequenos são:

• Redução dos atrasos de propagação.
• Redução das dimensões das filas de espera de buffers.
• Adaptação ao formato de protocolos de camadas inferiores.
• Possibilidade de intermediar pacotes de diferentes utilizadores.

Métodos de Acesso 'Por Turnos' em Redes Partilhadas

As características operacionais que aconselham a utilização de métodos de acesso “Por Turnos”, em redes com meios de transmissão partilhados, são o transporte de dados sensíveis a atrasos temporais, sobrecarga de tráfego e necessidade de definir prioridades entre nós.

Comutação de Pacotes vs. Comutação de Circuitos

Na comutação por Pacotes, não é necessário estabelecer circuito entre fonte e destino; é sempre possível transmitir mensagens. Mensagens processadas em todos os nós da rede, com possibilidade de existência de atrasos. Apropriado para mensagens não prioritárias.

Comutação de circuitos é o inverso: é necessário conquistar vários troços da rede, desde o emissor até ao recetor, para estabelecer o circuito, após o qual não existem atrasos de propagação. Apropriado para aplicações de ritmo constante (ex: voz).

Comutação de Pacotes vs. Comutação de Mensagens

Na comutação de pacotes, as mensagens são divididas em mensagens de menores dimensões (pacotes). Existe a possibilidade de intermediar pacotes de diferentes ligações, há redução de atrasos de propagação e das dimensões de filas de espera. Também existe maior complexidade, originada pela necessidade de colocação de cabeçalhos em pacotes, o que implica mais informação de controlo.

Protocolo Frame-Relay: Características Principais

As principais características do protocolo Frame-Relay são:

• Não efetua controlo de erros/fluxo de tramas (nível 2) em virtude de ter sido projetado para operar em meios de transmissão de maior qualidade.
• Suporta maiores velocidades de transmissão (que X.25), sendo apropriado para fibra óptica.
• Garante QoS – orientado à ligação, para reserva de recursos de rede necessários para garantir os requisitos da aplicação.

Protocolos X.25 vs. Frame-Relay: Diferenças

X.25:

• Maior controlo de erros/fluxo em virtude de ter sido projetado para operar em meios de transmissão de menor qualidade.
• Menor velocidade/mais atrasos de transmissão.
• Não garantia de QoS – não efetua reserva de recursos de rede necessários para garantir os requisitos da aplicação.

Qualidade de Serviço (QoS) em Redes de Comunicação

A disponibilidade de Qualidade de Serviço (QoS) representa uma funcionalidade cada vez mais importante nas redes de comunicação.

Parâmetros que Caracterizam a QoS

Os parâmetros que caracterizam a QoS são:

• Atrasos de receção de dados.
• Perdas de dados devido a sobrecarga de rede ou encaminhamento incorreto.
• Ritmo de transmissão.

Mecanismos para Garantir QoS em Redes

Os mecanismos que poderão ser usados numa rede de comunicações para que esta consiga garantir QoS são:

• Definição de prioridades / diferenciação de tráfego.
• Reserva de recursos para mensagens de diferentes prioridades.
• Sobredimensionamento da rede.

Linha Comutada: Características

• Circuito temporário.
• Ocupação de recursos apenas para transmissão de informação; após terminação da ligação os recursos ocupados são libertados.
• Apropriado para entidades geradoras de pouco tráfego.

Linha Alugada/Dedicada: Características

• Circuito permanente.
• Ocupação permanente de recursos.
• Não é necessário estabelecimento de chamada para iniciar transmissão de dados.
• Maior segurança e disponibilidade de recursos.
• Apropriado para entidades geradoras de muito tráfego.

Modelo OSI: Definição e Protocolos de Comunicação

O Modelo OSI tem como objetivo possibilitar a definição de protocolos para a comunicação de dados entre computadores de diferentes fabricantes.

As 3 Camadas Inferiores do Modelo OSI e Suas Funções

As 3 camadas inferiores do modelo OSI e as respetivas principais funções são:

• Camada 3, Camada de Rede: faz o encaminhamento dos pacotes de informação.
• Camada 2, Camada de Ligação de Dados: faz o controlo de fluxo e de erros de transmissão ponto a ponto, ao nível da trama.
• Camada 1, Camada Física: faz a conversão de informação binária (dos computadores) em informação com as características do meio físico de transmissão.

Protocolos TCP vs. UDP: Principais Diferenças

O protocolo TCP (Transmission Control Protocol) é um protocolo fiável, orientado à ligação, faz o controlo de erros, fluxo e sequência de dados, de extremidade a extremidade. Apropriado para aplicações mais sensíveis a erros do que à rapidez.

O protocolo UDP é um protocolo não orientado à ligação e não fiável, não faz controlo de erros, fluxo e sequência de dados. Indicado para aplicações de tempo real (ex: voz).

Protocolo RTP (Real-Time Protocol)

Protocolo para transporte de dados de aplicações em tempo real, que suportem um ligeiro nível de perdas e atrasos temporais em redes IP. Corre em conjunto com o RTCP (Real Time Control Protocol).

• RTP: Transporta fluxo de dados.
• RTCP: Transporta informação de controlo de fluxo de dados às fontes, para que adaptem os ritmos de transmissão em função da informação de feedback da qualidade corrente da rede.

Nós de Rede para Comunicação Inter-Redes

Para comunicar mais facilmente com outras redes diferentes, escolheria um Router ou uma Bridge:

• Router: faz a ligação entre quaisquer redes com base em encaminhamento com endereçamento universal, ao nível da camada 3.
• Bridge: faz a ligação entre LANs vizinhas diferentes, mesmo com diferentes tecnologias, permitindo agregar duas redes.

Dispositivos de Conectividade: Repetidores, Hubs, Switches

• Repetidores: regeneram (amplificam/repetem) o sinal, expandem o sinal para além dos limites dos cabos. Não processam o conteúdo do sinal (camada 1 - física).
• Hubs: concentradores de tráfego de diferentes terminais, utilizados para ligar terminais de uma mesma LAN. Não processam o conteúdo do sinal (camada 1 - física).
• Comutador (Switch): fazem o encaminhamento de mensagens, com base na verificação do endereço de destino. Comutação para a porta de destino (camada 2 - ligação de dados).

Endereçamento IP e DNS: Desafios e Soluções

Com o crescimento de utilizadores da Internet, a disponibilidade de endereços IPv4 caminha para o esgotamento.

Problemas Atuais com o Endereçamento IPv4

O crescimento de utilizadores da Internet (como a China) levou à redução do número de endereços disponíveis e ao crescimento das tabelas de routers por aumento do número de redes.

Soluções Temporárias para Prolongar a Vida do IPv4

O conjunto de soluções temporárias usadas para prolongar o tempo de vida dos endereços IPv4 são:

• Endereços Dinâmicos: sendo a pool de endereços partilhada pelos utilizadores da rede, de modo a poupar endereços públicos, com a seguinte orientação: o número total de utilizadores é maior que o número de endereços IP, que por sua vez é maior que o número total de utilizadores ativos.
• Subnets: redefinir o campo terminal e segmentar, para criar sub-redes e possibilitar melhor gestão e desempenho da rede.
• Supernets: Usar para definir o campo terminal apenas o número de bits necessário (ex: agregação de endereços de classe “C” com base no número de bits necessários), e assim combater o desperdício de endereços de classe “B”.
• NAT: Converter endereços privados de uso interno num IP global para uso externo (público), para poupança de endereços públicos e melhoria da segurança das comunicações.

Endereços Dinâmicos: Procedimento e Vantagens

Para poupança de endereços, o procedimento segue a seguinte orientação: o número total de utilizadores é maior que o número de endereços IP, que por sua vez é maior que o número total de utilizadores ativos.

O utilizador não tem endereço fixo, apenas temporário, e quando termina a ligação o endereço é libertado para outros clientes, que por sua vez também requisitaram um endereço variável e temporário ao servidor DHCP do ISP. Desta forma, facilita a gestão de atribuição de endereços e aumenta a segurança.

Protocolo IPv6: Características e Diferenças do IPv4

As principais características do protocolo IPv6, que o distinguem do IPv4, são:

• Contornar a escassez de endereços IPv4 (32 bits), uma vez que o IPv6 usa endereços com 128 bits de comprimento.
• Suporte a QoS em modo nativo.
• Suporte a IPSec em modo nativo, de forma a disponibilizar encriptação e autenticação de modo seguro.
• Suporte à autoconfiguração de endereços com utilização de prefixo de rede + MAC Address para o campo terminal, para facilitar a gestão da rede.
• Suporta endereçamento Multicast (vários endereços) e Anycast (um de vários endereços), em alternativa a Broadcast, para flexibilidade de endereçamento.
• Cabeçalhos de tamanho constante e mais simples, que possibilitam um processamento mais rápido nos routers.

Conversão de Endereços IP: NAT (Network Address Translation)

Utilização de endereços privados em redes internas para poupança de endereços IP públicos. Conversão de endereço privado para público efetuado em Routers/Firewall, o que permite maior segurança nas comunicações ao mascarar a identificação dos utilizadores.

Supernetting (CIDR): Procedimento e Benefícios

As supernets CIDR (Classless Inter-Domain Routing) permitem utilizar melhor o espaço de endereçamento, com a utilização do número de bits necessário para definir os campos de rede e terminal de endereços IPv4 (diferente do conceito de classes com múltiplos de octetos).

Faz agregação de endereços, facilitando as tabelas de routing com uma só entrada para um conjunto de endereços agregados.

O encaminhamento deixa de ser feito com base em classes IP.

Subnetting: Procedimento e Vantagens

Permite redefinir o campo terminal ao segmentar o campo terminal de endereços IPv4 em subcampos: subnet e terminais de subnet.

A definição de terminais/segmento implica a separação/redução de tráfego, com melhor desempenho para a rede.

Ao dividir a rede em sub-redes, facilita a melhoria da gestão de controlo de acessos, melhor desempenho e uma melhor segurança da rede.

Em termos de segurança, permite o controlo de acessos a determinados segmentos da rede e torna-se invisível para as redes exteriores.

Possibilita ainda a simplificação de tabelas de routing de routers internos, já que necessitam apenas de conhecer o endereço de outras subnets e dos computadores da subnet.

Serviço DNS: Objetivo e Funcionalidades Principais

O DNS (Domain Name Service) tem como objetivo traduzir nomes de máquinas em endereços IP, possibilitando que as máquinas ligadas à rede possam ser identificadas por um nome, além do endereço IP.

Utiliza domínios hierárquicos em que cada servidor DNS de um domínio apenas tem de conhecer o mapeamento nome/endereço IP (resolução) das máquinas do mesmo. Para resolver nomes de outros domínios, apenas tem de saber encaminhar a query de resolução para um outro servidor DNS apropriado. Possibilitando ainda gerir todo o espaço de nomeação de forma autónoma, sem necessitar de BD centralizada.

Segurança em Redes de Comunicação: Conceitos Essenciais

Numa rede pública como a Internet, o fator segurança tem um impacto muito importante.

Protocolo IPSec: Características e Modos de Funcionamento

As principais características do protocolo IPSec são:

• Disponibiliza funcionalidades de segurança ao nível da camada 3.
• Possibilita autenticação de utilizadores (cabeçalho de extensão AH – Authentication Header) e encriptação de dados de utilizadores (cabeçalho de extensão ESP – Encapsulation Security Payload).
• Suporta 2 modos de funcionamento: modo de transporte (apenas os dados são encriptados, o cabeçalho original não é alterado – Payload) e modo túnel (com a proteção de todo o pacote, em que tanto o cabeçalho como os dados são encriptados, sendo necessário adicionar um cabeçalho externo).

VPNs: Objetivo e Vantagens nas Comunicações Seguras

As VPNs (Virtual Private Networks) têm como objetivo o transporte de dados privados de forma segura, encriptados em redes públicas, através de canais de comunicação virtuais e dedicados. Têm como vantagens:

• Redução de custos em comparação com circuitos dedicados, como a substituição de linhas dedicadas na interligação de LANs e WANs, pelo uso da Internet.
• Poupança em deslocações físicas a locais de máquinas remotas.
• Maior facilidade de acesso à Internet.

Proxy: Funções e Benefícios

Função de representante de rede para o exterior, com:

• Controlo de acesso por utilizador, através de concentrador de ligações ao exterior com atribuição de IPs e filtro de aplicações (como firewall).
• Armazenamento temporário de informação (efeito cache), em que a consulta a um servidor remoto só é efetuada se a informação não estiver em cache, com a vantagem de maior rapidez de acesso à informação.
• Monitorização de atividades de utilizadores (criação de logs).