(Working in Progress) Redes de Computadores

Requirements

Recomendo usar Python venv.

Simulador SMTP :mailbox_closed::inbox_tray:

Neste problema replicamos o protocolo SMTP utilizando sockets. Entenda o fluxo:

1. Client 1 (Alice) conecta no Server 1 (Servidor de correio de Alice) e envia payload (ou seja, sua mensagem).
2. Server 1 age como "cliente" e se conecta no Server 2 (Servidor de correio do Bob) e envia a mensagem de Alice.
3. Client 2 (Bob) se conecta no Server 2, e então o mesmo envia a mensagem para Bob.
   

Execute, respectivamente, nesta ordem: servidor 2, servidor 1, cliente 1 e cliente 2:

$ python server_2.py
$ python server_1.py
$ python client_1.py
$ python client_2.py

Caminho Mínimo de Roteamento (Dijkstra Algoritm) :arrows_counterclockwise::soon:

O Caminho Mínimo de Roteamento é executado por cada nó de comutação na rede (isto é, nós preparados para encaminhar pacotes; na Internet, esses são chamados de roteadores). O conceito básico é que cada nó constrói um mapa da conectividade com a rede, na forma de um grafo, mostrando quais nós estão conectados a quais outros nós. Cada nó calcula, de forma independente, o melhor caminho lógico seguinte para cada destino possível na rede. Cada coleção de melhores caminhos formará a tabela de roteamento de cada nó. É o algoritmo de Dijkstra.

Noções Básicas

Máscara de sub-rede

Classes

• 255.0.0.0 - Classe A
• 255.255.0.0 -Classe B
• 255.255.255.0 - Classe C

Máscara classe C

• Os 3 primeiros octetos representam o ID da rede e o último o ID do computador.
• Total IPs = 256 - 2
• Endereço IP 192.168.214.123 e máscara de sub-rede 255.255.255.0.
  O que posso fazer com esses dados? Analise-os verticalmente (um em cima do outro).

Aqueles octetos do endereço IP que coincidirem, em posição, com os octetos 255 da máscara são os que representam a rede. Por sua vez, os octetos do endereço IP que coincidirem com os octetos 0 da máscara representam o micro (o indivíduo).

Ex)

# ip
192.168.214.123 
192.168.214.30 
192.168.214.249 

# máscara
255.255.255.0 

Todos esses micros acima fazem parte da mesma rede. E lembre-se de que todos os micros da mesma rede têm de ter a mesma máscara de sub-rede definida.

Cabo Twisted Pair

• Consiste em um (ou mais) par de fios trançados entre si (cada par tem seus dois fios dispostos como uma trança), para evitar o ruído de cross-talk (linha cruzada).

• Os cabos atualmente usados não possuem necessariamente apenas um par, há cabos usados em redes de computadores que usam até quatro pares de fios trançados.

• Máximo de 100 m, apenas). Se maior precisa de repetidor.

• Conectores: RJ 11 ou RJ 45.

• UTP (Unshielded Twisted Pair – ou “Par trançado não blindado”)

  • Mais barato
  • Sem proteção a interferências
  • É dividido em categorias 1 (linha telefônica), 5, 5e, 6 e 7 (gigabit ethernet)
  
  

• STP (Shielded Twisted Pair – “Par trançado blindado”)

  • Tem proteção a interferências (papel laminado)
  • Menos maleável
  

Cabos Coaxiais

• Tem melhor protecação os cabos STP.
• O plugue é o BNC
• Recebe o nome de coaxial pelo fato de que todos os seus elementos constituintes (núcleo interno, isolador, escudo, exterior e cobertura) estão dispostos em camadas concêntricas de condutores e isolantes que compartilham o mesmo eixo (axis) geométrico

Fibra ótica

• Pulsos luminosos (luz) em vez de sinais elétricos
• Formado por núcleo de vidro, capa e casca (cladding)
• Os cabos de fibra ótica contem varias fibras.

Socket

É formado por 2 informações:

• protocolo
• porta de comunicação

Em Python

Python tem módulo de socket que prove uma interface que segue o padrão Berkeley sockets API.

A comunicação básica entre cliente-servidor é assim:

• Aqui tem um excelente exemplo.

Topologia de Redes

Uma topologia é um layout, um formato que determina como os computadores vão se ligar.

Categorias

Topologia física é a verdadeira aparência ou layout da rede, enquanto que a lógica descreve o fluxo dos dados através da rede.

Topologia Lógica é a maneira como os dados são transmitidos através da rede. Atualmente, quando se fala em “essa rede é anel” ou “essa rede é barra”, na verdade, refere-se à topologia lógica, porque, em sua grande maioria, as redes atualmente são estrela.

As topologias mais comuns são:

1. barramento
2. anel
3. estrela

OSI Layers

Camada física - 1

O que faz: é a camada que trata a forma “bruta” dos sinais que transmitem dados.

Features

• Tem apenas componentes físicos.
• Os equipamentos físicos usados na transmissão dos sinais brutos (elétricos, luminosos ou eletromagnéticos) e os meios de transmissão. São integrantes desta camada os cabos (UTP, fibra óptica, coaxial), os repetidores, os conectores (RJ-45, BNC), as ondas de RF, as ondas infravermelhas e os hubs.

Camada de Enlace - 2

O que faz: é responsável por “reunir” os sinais brutos (zeros e uns) e “entendê-los” como quadros, identificando suas origens e destinos (endereços MAC) e corrigindo possíveis erros ocorridos durante a transmissão pelos meios físicos.

Características

• Componentes físicos e lógicos (protocolos).
• A camada do endereço MAC.
• Como os dispositivos da camada 1 são apenas “fios” (ou seja, transmitem sinais brutos, sem nenhum grau de “inteligência”), torna-se responsabilidade dos dispositivos da camada 2 detectarem (e, se possível, corrigirem) as besteiras que a camada 1 venha a cometer.
• É responsável tambem pelo envio da confirmação de recebimento acknowledgement) de quadro.
• Os equipamentos físicos que merecem pertencer à camada 2 são a placa de rede, a ponte, o ponto de acesso e o switch.
• Protocolos: CSMA/CD, CSMA/CA

Camada de Rede - 3

O que faz: ...

Features

• A camada do endereço IP.
• Os equipamentos (e protocolos) que criam e mantêm um ambiente inter-redes (inter-net), como o roteador, por exemplo, são pertencentes à camada 3.

Camada de Transporte - 4

O que faz: é responsável por oferecer meios de controle da transmissão, ou seja, garante que a mensagem de origem chegue no destino.

Features

• Tem apenas componentes lógicos.
• É a camada que divide a mensagem em pacotes..
• Funcionamento: atribue números de controle (como “pacote 1 de 15”, “pacote 2 de 15”, etc.) e, quando estes chegarem ao host de destino, a mesma camada naquele host concatena os pacotes enviados em ordem correta, resultando, assim, na montagem perfeita da mensagem original.
• É a camada de transporte que também detecta e corrige possíveis erros em pacotes.
• Protocolos: TCP e UDP.

Camada de Rede - 7

O que faz: é responsável por organizar os protocolos de aplicação.

Features

os protocolos e serviços (tarefas) a que os usuários têm acesso são componentes da camada de aplicação.

Resumo

• Física (1): define as características para ativar, manter e desativar conexões físicas para a transmissão de bits.
• Enlace de Dados (2): detecta e corrige erros na camada de meios físicos, fornece à camada de rede a capacidade de pedir estabelecimento de circuitos de dados na camada física (isto é, a capacidade de controlar o chaveamento de circuitos).
• Rede (3): agrupa protocolos de operação da rede, tais como algoritmos de roteamento e de controle de congestionamento. Cabe a ela levar os pacotes da origem ao destino, optando pelo caminho apropriado. A camada de rede deve conhecer a topologia da sub-rede, proporcionado uma rota que evite congestionamentos, podendo inclusive exigir muitos saltos em nós intermediários. Quando a origem e o destino estão em redes diferentes, cabe a camada de redes resolver os problemas de compatibilidade como: diferenças de endereçamento, tamanho do pacote e protocolos diferentes.
• Transporte (4): controla o transporte de dados.
• Sessão (5): organiza e sincroniza o diálogo.
• Apresentação (6): codificar e decodificar.
• Aplicação (7): Telnet, SSH, FTP, SMTP, SNMP e HTTP.

Protocolos

Protocolos da Camada de: Rede

Protocolos mais importantes:

• IP
• ICMP - detecta erros
• ARP

Protocolo IP

Tem 2 funções:

• Endereçar os endereços os hosts de origem
• Rotear as mensagens até o destino.

O IP manipula pacotes (datagramas). Cada pacote IP contém, em seu cabeçalho:

• Endereço IP de Destino
• Endereço IP de Origem
• TTL (Time-to-Live – Tempo de Vida): é um número de segundos (ou saltos – hops) que o pacote deve “viver” para atravessar a Internet.
• Protocolo - identifica o conteúdo do envelope.
• Checksum do Cabeçalho - um resumo "hash" para detecção de erros
• Comprimento (Length): esse campo identifica o tamanho que o pacote tem, em by tes. Um pacote IP pode ter 576 by tes (no mínimo) e 65.536 by tes (64 Kilobytes) no máximo.

OBS: o protocolo IP é considerado não-orientado a conexão.Isso significa que o protocolo IP não se preocupa em estabelecer conexões prévias entre origem e destino para poder transmitir. Nem se preocupa se o pacote chegou ou não. Nem exige qualquer tipo de confirmação do destinatário.

Protocolo ICMP  (Internet Control Messaging Protocol – Protocolo de Mensagens de Controle de Inter-Redes)

• Faz algo que o IP não faz: a detecção de erros nos pacotes.
• Funciona mais ou menos assim: quando um roteador recebe um pacote IP contendo dados, ele analisa aquele pacote, a fim de descobrir se há algum problema. Se não houver, ótimo, o pacote é encaminhado à próxima rede; mas se houver algum problema naquele pacote, o roteador em questão constrói, por meio do protocolo ICMP, uma mensagem de erro (ou mensagem de controle) e a envia em um pacote IP ao emissor daquele pacote defeituoso, pedindo que se tomem as providências necessárias (como o reenvio).
• Mensagem ICMP é encapsulada em (colocada dentro de) um pacote IP normal.

Protocolo ARP (Address Resolution Protocol – Protocolo de Resolução de Endereços)

É usado para associar um endereço IP a um endereço de hardware.

Protocolos da Camada de: Transporte

Apenas dois protocolos:

• TCP
• UDP

Protocolo TCP (Transmission Control Protocol – Protocolo de Controle de Transmissão)

• orientado a conexão, ou seja, quer dizer que o protocolo TCP faz com que o emissor só comece a transmitir seus dados se tiver certeza de que o receptor está pronto para ouvi-los.

Características

• É confiável: garante a entrega de todos os dados no destino sem defeito ou perda.
• Garante a sequência dos segmentos: os segmentos que saem do emissor são numerados e reunidos na mesma ordem no micro de destino.
• Reconhecimento: o receptor envia um segmento de confirmação (reconhecimento) para cada segmento de dados que receber, informando ao emissor que ele já poderá transmitir o próximo segmento da sequência.
• Retransmissão: se um segmento se perder (por causa de problemas de transmissão nas demais camadas), o TCP do receptor solicitará ao TCP do emissor o reenvio do segmento faltoso.
• Detecção de duplicidade: o TCP reconhece se um segmento chegou em duplicidade no receptor e automaticamente descarta o segmento duplicado.
• Controle de fluxo: o emissor não vai enviar mais segmentos do que a quantidade que o receptor for capaz de processar (mesmo porque o emissor só transmitirá quando o receptor informar que ele pode fazê-lo).
• Controle de congestionamento: o TCP ajusta-se automaticamente às quedas de desempenho da rede provocadas por congestionamento (nos roteadores e servidores, por exemplo).
• Estabelece sessões: o TCP trabalha por meio do estabelecimento de sessões de comunicação, em que várias transmissões são feitas em bloco e consideradas parte de uma sessão só.
• Troca informações de estado (status): os dois hosts ligados em TCP trocam entre si constantemente informações de apresentam o status da conexão entre eles.
• Baixa velocidade: devido à grande quantidade de informações, recursos e itens que garantem a integridade das transmissões via TCP, é fácil deduzir que o protocolo TCP não é tão rápido quanto seu “irmão inconsequente”.
• Three handshake

Protocolo UDP (User Datagram Protocol – Protocolo de Datagrama de Usuário)

• Fornece uma entrega rápida (streming de videos e musicas)
• Não confiável. Ele não fornece o controle de fluxo necessário, nem tampouco exige uma confirmação do receptor, o que pode fazer com que a perda de um pacote.

Vlan

É uma rede local virtual, sendo um novo nível de rede.

Características:

• É uma forma de agrupar usuários por grupo de interesse, por exemplo, por seções ou departamentos.
• Uma VLAN só pode ser feita por intermédio de um dispositivo da camada 3 (router). OBS: switches L3 também possuem a habilidade de rotear pacotes IP.
• Cada VLAN deve estar em um IP diferente;
• Independência da topologia física: podem-se criar diferentes topologia virtuais, sem alterar a topologia física;

Tipos de VLANs

• VLAN estática é mais segura e mais fácil de gerenciar.
• VLAN dinâmica determina automaticamente uma VLAN para um dispositivo.
  • similar ao DHCP com os IPs
  • como acontece ?
    • o SW que gerencia a VLAN dinâmica procura o endereço MAC e então configura a porta do switch (mapeamento MAC x VLAN). Se o usuário muda de local é refeito o mapeamento e associado a mesma VLAN.

Protocolos das VLANs

• VTP
• ISL (somente switches da Cisco)
• IEEE 802.1q

Protocolo VTP (virtual trunck protocol)

• É um protocolo para gerenciar as redes VLANs podendo: Adicionar, deletar ou renomear VLANs sendo isso propagado para todos os switches do domínio.
• Permite o plug-and-play de VLANs.
• Por default todos os switches cisco operam como servidores VTP;

NOTA: As 3 funções básicas de um switch na camada 2 são:

• Aprender os endereços
• Rotear pacotes
• Impedir loops

Camadas OSI-ISO

Etherchannel

O que é?

é a agregação de diversas interfaces Ethernet (portas físicas) para a utilização de uma única porta lógica com o intuito de prover redundância e aumento de banda é uma atividade muito comum em redes de médio e grande porte.

Características

• 2 ou + portas físicas conectadas se comportando como somente 1
• Redundância (segurança)
• Aumento de banda (throughput)

Nota: use velocidades de portas idênticas como: interfaces 1Gb com interfaces 1G e interfaces 10Gb com interfaces 10Gb e assim por diante…

Quality of Service

É uma forma de gerenciar o tráfego de comunicação.
Significa identificar e tratar de forma diferenciada tipos de informação que trafegam em uma rede.

Uma “estrada” para cada tipo de tráfego.

Redes diferentes para Voz, Dados e Vídeo. Mas na prática as redes convergem:

QoS para Voz

<img src="images/voz.png>

QoS para Video-ConferenciaPágina 79 de Papirus

QoS para Dados

Funções do QoS

1. Classifica os pacotes
2. Marca eles
3. Condiciona para a via correta
4. Transmite

Métricas de redes

Delay - Latência = Tempo chegada -tempo partida LAG (latency at game)

Métricas para desempenho de redes latência (atraso) jitter (variação da latência no tempo)

A latência mostra o desempenho real da rede naquele exato momento, enquanto que o jitter mostra seu comportamento ao longo do tempo, ou seja, define o grau de estabilidade da rede

Valores aceitáveis de latência:

Ping

• Protocolo ICMP(internet control message protocol)

• É um protocolo que fornece um relatório de erros à sua fonte de origem.

• As mensagens ICMP geralmente são enviadas automaticamente em uma das seguintes situações:

  • Um pacote IP não consegue chegar ao seu destino (i.e. Tempo de vida do pacote expirado)
  • O Gatewaynão consegue retransmitir os pacotes na frequência adequada (i.e. Gateway congestionado)
  • O Roteador indica uma rota melhor para a máquina a enviar pacotes.

• Ferramentas comumente usadas em Windows baseadas nesse protocolo são: Pinge Traceroute.

Frames ICMP

• Echo Request / Reply
• Mensagens para funções de teste e controle da rede, caso a máquina esteja ligada ira responder com um reply e se estiver inalcançável request
• Usadas pelo comando PING

Gateway

O nome geral para uma máquina que faz uma conexão entre duas ou maisredes e oferece a conversão necessária, tanto em termos dehardware quanto de software, é um gateway

DHCP

Lease

• É o tempo de concessão de um IP para uma máquina.
• Como se fosse a carteirinha da Unimed.
• Quem fornece é o servidor DHCP.

Referências

• [1] https://realpython.com/
• [2] wikipedia