Arquitetura de Redes
» Uma Arquitetura de Rede é um modelo abstrato que permite descrever a organização e o comportamento dos sistemas que constituem a rede
– um modelo arquitetónico baseia-se num conjunto de princípios gerais e define regras de comportamento
– o carácter abstrato permite descrever de forma clara e concisa conceitos e relações essenciais entre os componentes da rede
» O modelo deve ser essencialmente funcional e permitir
– identificar as funções necessárias à comunicação
– organizar as funções em componentes (decompor / agrupar funções de acordo com diferenças / semelhanças ou por se basearem em mecanismos comuns)
– relacionar (estruturar) os componentes funcionais
– definir regras de comportamento e relações entre os sistemas e os seus componentes para efeitos de comunicação e cooperação
» A partir dum modelo geral e universal é possível especificar e desenvolver soluções particulares e concretas baseadas no modelo
Necessidade e objetivos
» As funções a realizar numa rede têm um elevado grau de complexidade devido a vários fatores
– grande diversidade de funções a realizar
- as funções são de natureza e complexidade muito diferentes (do nível físico ao nível de aplicação) e podem ser realizadas de formas muito diversas, dependendo dos sistemas, das tecnologias e dos serviços disponíveis em cada momento
- para garantir flexibilidade e adaptabilidade a um ambiente em permanente evolução, uma rede não pode (ou não deve) ser projetada e otimizada tendo em conta serviços ou aplicações particulares
- novas soluções tecnológicas devem poder ser exploradas para evitar obsolescência, melhorar o desempenho e / ou reduzir custos e devem poder ser incorporadas sem necessidade de introduzir alterações radicais (e com custos elevados) nos sistemas
- caraterizado por sistemas heterogéneos e dispersos, que geram tráfego assíncrono (bursty), e que são ligados por sistemas de transmissão não totalmente fiáveis
Arquitetura em Camadas
» Uma arquitetura de rede não poder ser baseada num modelo monolítico, por várias razões
– dificuldade de conceção e de desenvolvimento
– dificuldade de manutenção e de alteração (evolução tecnológica)
– inflexibilidade (dificuldade de aplicar a situações diferentes ou a novas situações)
» A solução consiste em decompor o problema global e complexo num conjunto de problemas mais simples e tratáveis (modularidade), permitindo assim uma abordagem sistemática, com elevado grau de flexibilidade e adaptabilidade
» Os modelos arquitetónicos que têm sido adoptados em redes baseiam-se na organização das funções em módulos e na sua estruturação hierárquica, de que resultam Arquiteturas em Camadas (Layered Architectures)
Arquitetura em Camadas – Princípios
Arquiteturas em Camadas baseiam-se em três princípios
» Independência entre camadas – uma camada encapsula as funções que realiza, não sendo visível do exterior da camada a forma como essas funções são realizadas (mas apenas o serviço que oferece)
» Camadas adjacentes comunicam através duma interface – a camada inferior oferece um serviço à camada superior através da interface
» Valorização dos serviços – o serviço oferecido por uma camada à camada superior acrescenta valor ao serviço recebido da camada inferior
Arquitetura em Camadas – Vantagens
» Redução da complexidade de concepção, desenvolvimento e manutenção
» Possibilidade de desenvolvimentos independentes das várias camadas, o que pressupõe a definição das interfaces entre camadas (e os serviços associados)
» Flexibilidade de implementação, visto ser possível escolher as tecnologias e os algoritmos de controlo mais adequados a cada função ou grupo de funções
» Possibilidade de introduzir alterações numa camada, para explorar novas tecnologias entretanto disponíveis ou algoritmos de controlo mais eficientes
» Possibilidade de suportar diferentes aplicações com base num número reduzido de interfaces (serviços) comuns
» Conceção e análise de sistemas complexos com diferentes graus de abstracção
» Adoção de standards, o que permite a produção em massa (com a consequente redução de custos) e o suporte de produtos por diferentes fabricantes (o que aumenta a diversidade de escolha e a flexibilidade das soluções)
Regras de Comunicação – Protocolos
» Numa arquitetura em camadas os sistemas que constituem a rede aparecem funcionalmente organizados e estruturados em camadas – uma camada atravessa transversalmente todos os sistemas
» Uma camada é constituída por entidades (processos, recursos) responsáveis pela realização das funções específicas dessa camada
» Entidades de uma mesma camada (peer entities) residentes em sistemas diferentes cooperam para construir o serviço oferecido pela camada – o que requer a troca de mensagens de controlo e de sincronização, para além de mensagens que contêm dados (de camadas superiores)
» Esta comunicação pressupõe regras, isto é, um Protocolo
» Numa arquitetura em camadas, os Protocolos aparecem igualmente estruturados em camadas – a comunicação entre dois sistemas pode então ser decomposta e descrita com base na comunicação que ocorre em cada camada
Protocolos, Interfaces e Serviços
» Um Protocolo é um conjunto de regras de comunicação entre entidades residentes na mesma camada (peer entities), em sistemas diferentes; com excepção da camada protocolar mais baixa, esta comunicação (horizontal) é lógica (ou virtual), pois as entidades de uma camada comunicam usando o serviço da camada inferior (e este princípio é aplicado recursivamente).
» Um Protocolo contém três tipos de elementos:
– Sintaxe (formato dos dados, códigos, níveis de sinal, etc.);
– Semântica (conjunto de procedimentos e mecanismos suportados em informação de controlo);
– Temporizações (adaptação de velocidades, sincronização, etc.).
» Um serviço é disponibilizado através de uma interface e requer a interação
entre entidades residentes em camadas adjacentes no mesmo sistema; esta comunicação (vertical) corresponde ao fluxo real da informação no sistema.
» Uma arquitetura fica caraterizada pelo tipo de estruturação e pela definição das funções, dos protocolos e dos serviços de cada camada.
Fluxo de dados e comunicação protocolar
Tomando como referência um modelo em camadas (OSI), a figura ilustra o fluxo real dos dados na comunicação entre dois sistemas (através de um sistema intermédio) e a comunicação lógica entre entidades das várias camadas:
Serviço
» Entidades (N+1) comunicam por meio dum protocolo (N+1) usando o serviço disponibilizado pela camada (N) através da interface entre as camadas
» A forma como o serviço é realizado não é visível do exterior da camada
» Os serviços são usados recursivamente pelas várias camadas
Modelo de Referência – necessidade
» Os fabricantes de computadores desenvolveram arquiteturas próprias com o objectivo de permitir a ligação em rede dos seus sistemas
– embora baseadas em princípios e conceitos semelhantes caraterizavam-se por diferenças irreconciliáveis, no que se refere ao número de camadas, funções e protocolos de cada camada, tipo de controlo e serviços disponibilizados
» Por outro lado, começaram a implantar-se redes públicas de comunicação de dados, baseadas em diferentes tecnologias, protocolos de acesso e serviços
» Esta situação tornava os utilizadores muito dependentes das soluções de um único fabricante e tornava difícil explorar os serviços entretanto oferecidos pelos operadores de redes (em alternativa ao aluguer de circuitos)
» Alternativas a soluções específicas de cada fabricante (fechadas) exigiam
– recurso a redes públicas de dados, usando protocolos e interfaces (serviços) normalizados
– interligação de equipamentos de diferentes fabricantes usando protocolos universais
» Surgiu assim naturalmente a necessidade de um Modelo Arquitetónico de Referência – papel que veio a ser desempenhado pelo Modelo de Referência de Sistemas Abertos (Modelo OSI) desenvolvido pela ISO
Modelo de Referência OSI
» O Modelo de Referência de Sistemas Abertos (Open Systems Interconnection Reference Model) define regras gerais de interacção entre sistemas abertos, isto é, sistemas que obedecem a normas universais de comunicação (por oposição a sistemas fechados) e cujo comportamento externo está de acordo com o prescrito pelo modelo (princípio da visibilidade restrita)
» O Modelo OSI cria as bases para a especificação e aprovação de standards por organizações de normalização reconhecidas internacionalmente – embora os standards não façam parte do modelo
» O Modelo OSI define princípios, conceitos e relações entre componentes – é um modelo abstracto da descrição da comunicação entre sistemas (e não um modelo de implementação)
» O Modelo OSI é geral e flexível – embora definido no contexto das redes de computadores que se desenvolveram durante a década de 70, continua a ser usado como modelo de descrição de redes e serviços que se desenvolveram desde então
Modelo de Referência OSI
» O Modelo OSI propõe uma organização funcional em sete camadas, de acordo com os seguintes princípios
– As funções são decompostas e organizadas em camadas
– Cada camada realiza um conjunto de funções relacionadas, suportadas num protocolo
– Cada camada fornece serviços à camada superior escondendo-lhe os detalhes de implementação
– Cada camada usa serviços da camada inferior
– Mudanças internas numa camada não implicam mudanças nas outras camadas
» O Modelo OSI não se pode reduzir a esta visão simplificada de sete camadas protocolares – pois inclui um conjunto extremamente rico de conceitos e princípios, nomeadamente
– Princípios de estruturação em camadas
– Modelo e Tipos de Serviço
– Descrição das Funções a suportar pelos Protocolos das diferentes camadas
– Princípios de Endereçamento
Camadas OSI
Comunicação em ambiente OSI
A comunicação entre uma Aplicação X e uma Aplicação Y em sistemas diferentes pode ser descrita pela seguinte sequência
» Para comunicar com a Aplicação Y, a Aplicação X usa os serviços da camada 7
» As entidades da camada 7 de X comunicam com as entidades da camada 7 de Y usando um protocolo da camada 7
» O protocolo da camada 7 usa os serviços da camada 6
» … e assim sucessivamente
Camadas OSI (1-7)
♦ Física
» Características mecânicas, eléctricas e funcionais da interface física entre sistemas (conectores, níveis de sinal, códigos de transmissão, sincronização, etc.)
» Exemplos: RS-232, V.24, X.21
♦ Ligação de dados
» Estabelecimento, manutenção e terminação de uma ligação de dados
» Encapsulamento de dados em tramas para transmissão
» Controlo de Fluxo e Controlo de Erros (no caso de ligação fiável)
» Exemplos: HDLC, LAPB (X.25), LAPD (Canal D / RDIS), LAPF (Frame Relay), PPP (IP), LLC (LANs)
♦ Rede
» Transferência de informação (multiplexagem e comutação) entre nós da rede
» Encaminhamento de pacotes através da rede
» Serviço independente da tecnologia e dos serviços nativos de subredes físicas
» Exemplos: X.25, IP (internetworking)
♦ Transporte
» Transferência de informação extremo a extremo entre equipamentos terminais
» Serviço independente do serviço de Rede (ou dos serviços nativos de subredes)
» Adaptação ao serviço de Rede (fragmentação, multiplexagem de fluxos de dados)
» Eventualmente Controlo de Erro (serviço fiável) e Controlo de Fluxo
» Exemplos: TCP (fiável), UDP (não fiável)
♦ Sessão
» Controlo do diálogo entre processos e mecanismos de sincronização
♦ Apresentação
» Representação de informação (formatos, códigos) independente do conteúdo
» Resolução de diferenças sintáticas e negociação da sintaxe de transferência
♦ Aplicação
» Criação do ambiente para comunicação entre aplicações (aspectos semânticos)
» Aplicações genéricas (transferência de ficheiros, correio electrónico, etc.)
» Funções de gestão
Protocolos em ambiente OSI
Modelo de Serviço
» Um serviço é definido de forma abstrata como um conjunto de capacidades disponibilizadas por uma camada (fornecedora do serviço) à camada adjacente superior (utilizadora do serviço)
– a descrição do serviço inclui apenas os aspectos semânticos do serviço e não a
forma como é realizado
» Um serviço é descrito por um conjunto de atributos e a sua descrição inclui
– a interacção através da interface
– os dados associados à interação
– a relação entre eventuais interações nos vários sistemas envolvidos no serviço
» A interação entre Utilizadores e Fornecedores de um serviço é descrita por meio de Primitivas de Serviço (operações elementares e indivisíveis) que
– indicam uma acção (realizada ou a realizar) ou o seu resultado
– fornecem parâmetros (endereços, Qualidade de Serviço, controlo de fluxo, negociação de facilidades, etc.)
Primitivas de Serviço
Request (Pedido)
» Invocada pelo utilizador do serviço
» Invoca um serviço (ação, procedimento) especificado por meio de parâmetros
Indication (Indicação)
» Invocada pelo fornecedor do serviço
» Indica que um serviço foi invocado pelo utilizador remoto (peer) ou notifica o
utilizador de um acontecimento ou de uma acção iniciada pelo fornecedor do serviço
Response (Resposta)
» Invocada pelo utilizador do serviço
» Resposta a uma Primitiva Indication
Confirmation (Confirmação)
» Invocada pelo fornecedor do serviço
» Indica que foi accionado ou se completou um serviço invocado pelo utilizador (Request)
Pontos de Acesso ao Serviço (SAPs)
» Os serviços da camada N são oferecidos a Entidades (N+1) em Pontos de Acesso ao Serviço – (N)-SAPs (Service Access Points)
» Um (N)-SAP constitui a interface lógica entre Entidades (N) e (N+1)
– um (N)-SAP é servido por uma e uma só Entidade (N) e é usado por uma e uma só Entidade (N+1)
– uma Entidade (N) pode servir vários (N)-SAPs e uma Entidade (N+1) pode usar vários (N)-SAPs
» Um (N)-SAP é identificado por um endereço-(N) – (N)-address – que o identifica univocamente na interface entre as camadas (N) e (N+1)
Tipos de Serviço
» O modelo OSI define dois tipos de serviço
– Serviços orientados à conexão (CO – Connection Oriented)
– Serviços sem conexão (CL – Connectionless)
» Uma conexão-(N) – (N)-connection – é um associação estabelecida pela camada (N) para a transferência de dados entre duas ou mais Entidades (N+1); uma conexão pode ser descrita como uma associação lógica entre (N)-SAPs
» Um conexão-(N) é estabelecida, mantida e terminada por meio de um
protocolo da camada (N)
– a conexão tem um identificador único atribuído, que tem de estar presente nas mensagens trocadas pelas entidades protocolares da camada
– uma conexão é terminada localmente num SAP – essa terminação designa-se por Connection End Point (CEP); várias conexões podem terminar no mesmo SAP
– uma conexão é univocamente identificada na interface entre camadas por um par de identificadores (SAPI, CEPI)
Modelo OSI – Protocolos e Serviços
Funções Protocolares
As Funções a realizar pelos Protocolos são naturalmente diferentes de camada para camada, podendo no entanto haver funções idênticas realizadas em mais do que uma camada, embora em contextos e com objetivos diferentes
Funções típicas
» Encapsulamento de dados
» Segmentação e reassemblagem de dados
» Controlo de ligações (conexões)
» Entrega ordenada de dados
» Controlo de fluxo
» Controlo de erros
» Endereçamento
» Multiplexagem
Unidades de Dados
» As unidades de dados transferidas através da interface entre a camada (N+1) e a camada (N) designam-se por Unidades de Dados de Serviço-(N) e estão relacionadas com as necessidades dos utilizadores do serviço
(N)-SDU – Service Data Unit
» As unidades de dados trocadas entre entidades protocolares na camada (N) designam-se por Unidades Protocolares de Dados-(N) e estão relacionadas com a operação do protocolo
(N)-PDU – Protocol Data Unit
» No caso mais simples a um (N)-SDU corresponde um (N)-PDU – o protocolo da camada (N) forma um (N)-PDU encapsulando o (N)-SDU com informação adicional, que pode incluir
– informação de controlo do protocolo (PCI – Protocol Control Information)
– endereços (ou outros identificadores)
– código para detecção de erros
Encapsulamento
Segmentação e Reassemblagem
» Uma camada protocolar pode ter necessidade de fragmentar (segmentar) as unidades de dados (SDUs) recebidas da camada superior, transportando-as, após encapsulamento, em vários PDUs
» Para ser possível reconstituir no destino as unidades de dados iniciais (SDUs) é necessário que a informação de controlo (PCI) acrescentada pelo protocolo permita relacionar os segmentos (por exemplo, por meio de números de sequência e indicação do último segmento)
» Razões para segmentar
– Controlo de erro mais eficiente
– Acessos mais equilibrados à rede
– Atrasos menores na rede
– Buffers mais pequenos nos nós da rede
» Desvantagens
– Overheads adicionais (maior número de PDUs e mais informação de controlo por PDU)
– Mais interrupções nos processadores (tipicamente uma por segmento)
– Tempos de processamento superiores (funções adicionais a realizar)
Segmentação e Reassemblagem
Modos de operação dos protocolos
A comunicação entre entidades protocolares na mesma camada pode ser realizada de dois modos
» Não-orientado à conexão (connectionless) – as unidades de dados (PDUs) são transportadas de forma independente, sem necessidade de estabelecimento prévio de qualquer associação lógica (conexão) entre as entidades protocolares
» Orientado à conexão (connection oriented) – a transferência de unidades de dados (PDUs) só é possível após o estabelecimento de uma conexão entre as entidades protocolares
– Uma conexão (N) é estabelecida pelo protocolo da camada (N), usando PDUs de controlo (Connection Request), após invocação de uma Primitiva de Serviço do tipo (N)-Connect Request por uma entidade da camada (N+1)
– Fases de uma conexão: estabelecimento, transferência de dados, terminação
Fases de uma conexão
Ordenação de PDUs, Controlo de Fluxo e de Erros
» Ordenação de PDUs
– Protocolos orientados à conexão garantem que os PDUs chegam ordenados ao destino
– Se os PDUs seguirem trajectos diferentes na rede podem chegar ao destino desordenados, podendo ser reordenados, se necessário
– PDUs são numerados sequencialmente para se poder garantir a sua (re)ordenação
» Controlo de Fluxo
– Objectivo: limitar (controlar) o débito do emissor
– Pode ser realizado pelo recetor (e.g., window control) ou pelo emissor (e.g., rate control)
– Pode ser necessário em várias camadas protocolares (nó a nó ou extremo a extremo)
» Controlo de Erros
– Protecção contra perda ou corrupção de PDUs
– Implica deteção de erros e retransmissão de PDUs não aceites pelo recetor
– Pode ser necessário em várias camadas protocolares (nó a nó ou extremo a extremo)
Endereçamento
♦ Numa rede é necessário identificar não só os sistemas que a constituem (hosts, routers, etc.) mas igualmente entidades protocolares, aplicações, etc., o que requer diferentes tipos e níveis de identificação ou endereçamento
» Endereços de sistemas
– Normalmente trata-se de endereços lógicos, definidos na camada de Rede
– Exemplos: endereços IP, endereços NSAP (Network Service Access Point)
» Endereços de interfaces a subredes (SNPA – Subnetwork Point of Attachment)
– Endereços físicos que identificam pontos de acesso a uma subrede (interface física)
– Exemplos: endereços MAC (LANs), endereços X.25
» Identificadores de processos / aplicações
– Identificadores internos, normalmente concatenados com um endereço do sistema
– Exemplos: porta TCP, TSAP (Transport Service Access Point)
» Identificadores de conexão
– Em protocolos orientados à conexão, evitam a necessidade de usar endereços nos PDUs
– Exemplos: identificadores de ligação de dados ou de circuito virtual
♦ Modos de endereçamento
» Unicast, multicast, broadcast
Exemplo de Endereços
Multiplexagem
♦ Um protocolo orientado à conexão pode suportar múltiplas conexões simultâneas
♦ Um serviço de uma camada (CO ou CL) suporta-se num serviço da camada adjacente inferior (CO ou CL), sendo possíveis as quatro combinações
» CO / CO – exemplo: Circuito Virtual X.25 sobre Ligação de Dados LAPB
» CO / CL – exemplo: TCP sobre IP
» CL / CL – exemplos: IP sobre serviço LAN (MAC); UDP sobre IP
» CL / CO – exemplo: IP sobre ATM; IP sobre Frame Relay
♦ No caso de um serviço CO construído sobre um serviço CO é possível a
multiplexagem de conexões entre níveis
» Um para um
» Multiplexagem ascendente – múltiplas conexões numa camada partilham uma conexão na camada inferior
» Multiplexagem descendente (Inverse Multiplexing ou splitting) – uma conexão numa camada é construída sobre múltiplas conexões na camada inferior
Arquitetura Protocolar TCP/IP
♦ Arquitetura dominante
» Desenvolvida inicialmente no âmbito da ARPANET, que começou por ser uma rede experimental financiada pelo Departamento de Defesa dos EUA, e que ligava universidades e centros de investigação
» Os protocolos da família TCP/IP foram especificados e implementados antes da maior parte dos protocolos baseados no modelo OSI
» Um grande número de serviços e aplicações disponíveis actualmente usam
TCP/IP
♦ Princípios
» As funções de comunicação são estruturadas em módulos
» Entidades comunicam com entidades homólogas (peer) noutros sistemas
» Num sistema uma entidade
– Usa serviços de outras entidades
– Fornece serviços a outras entidades
– Serviços podem ser fornecidos a camadas não adjacentes (ao contrário do modelo OSI)
Arquitectura Protocolar TCP/IP
» Aplicação – serviços de utilizador– Comunicação entre processos ou aplicações
– Modelo cliente-servidor
– HTTP, FTP, telnet
» Transporte (TCP/UDP)
– Transmissão de mensagens extremo a extremo
– Independente do serviço de sub(redes) físicas
– Pode incluir transferência fiável (TCP)
» Internet (IP)
– Encaminhamento através de múltiplas (sub)redes interligadas (internetworking)
– Implementado em computadores (hosts) e nós intermédios (routers)
» Acesso a uma rede (subrede)
– Acesso a uma (sub)rede e comunicação entre estações (hosts / routers) ligadas à mesma (sub)rede física
» Físico
– Características eléctricas e mecânicas do acesso à (sub)rede (níveis de sinal, débitos de transmissão,
conectores, etc.)
Algumas Caraterísticas do TCP/IP
♦ O IP (Internet Protocol) é implementado em todos os computadores e routers
♦ Cada computador tem um endereço IP único em cada subrede a que pertence
♦ Cada processo num computador tem um endereço único (porta)
OSI vs TCP/IP
Família de Protocolos TCP/IP
Fonte: FEUP
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