Redes de computadores: uma abordagem de sistemas

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Redes de computadores uma abordagem de sistemas

Quinta edio

Larry L. Peterson e Bruce S. Davie

Traduo Multinet Produtos

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2013, Elsevier Editora Ltda.

Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei n. 9.610, de 19/02/1998.

Nenhuma parte deste livro, sem autorizao prvia por escrito da editora, poder ser reproduzida ou transmitida sejam quais forem os meios empregados: eletrnicos, mecnicos, fotogrficos, gravao ou quaisquer outros.

Copidesque : Letcia Vendrame Reviso : Carla Camargo Coordenao editorial : Oitava Rima Produo Editorial Editorao eletrnica : Thomson Digital

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Servio de Atendimento ao Cliente 0800-0265340 sac@elsevier.com.br

ISBN: 978-85-352-4897-5

Nota : Muito zelo e tcnica foram empregados na edio desta obra. No entanto, podem ocorrer erros de digitao, impresso ou dvida conceitual. Em qualquer das hipteses, solicitamos a comunicao nossa Central de Atendimento, para que possamos esclarecer ou encaminhar a questo. Nem a editora nem o autor assumem qualquer responsabilidade por eventuais danos ou perdas a pessoas ou bens, originados do uso dessa publicao.

CIP - Brasil. Catalogao-na-fonte Sindicato Nacional dos Editores de Livros, RJ

P578r

Peterson, Larry L. Redes de computadores : uma abordagem de sistemas / Larry L. Peterson e Bruce S. Davie ; [traduo de Multinet Produtos]. - Rio de Janeiro : Elsevier, 2013.

Traduo de: Computer networks : a systems approach, 5th ed. Inclui bibliografia ISBN 978-85-352-4897-5

1. Redes de computadores. I. Davie, Bruce S. II. Ttulo.

12-8459. CDD: 004.6 CDU: 004.7

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Dedicatria

Para Lee Peterson e Robert Davie

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Comentrios sobre o livro

J conheo e tenho usado este livro h anos, e sempre o achei muito valioso como livro-texto para o ensino de redes de computadores, alm de um livro de referncia para profissionais da rea de redes. Esta quinta edio conserva o valor bsico das edies anteriores e aumenta a clareza da explicao sobre protocolos de rede na apresentao das mais atualizadas tcnicas, tecnologias e requisitos das redes. Alm de descrever os detalhes das redes do pas-sado e do presente, este livro motiva com sucesso a curiosidade, e possivelmente novas pesquisas, voltadas s redes do futuro.

Stefano Basagni Northeastern University

Peterson e Davie escreveram um livro fantstico para o mundo das redes de computadores. Este um livro muito bem organizado, que possui uma abordagem de sistemas muito til para compreender o quadro geral. Este livro essencial!

Yonshik Choi Illinois Institute of Technology

A quinta edio de Redes de Computadores: Uma Abordagem de Sistemas bastante adequada para o aluno srio de redes de computadores, embora tambm permanea acessvel ao leitor casual. O entusiasmo dos autores para com o assunto evidente em toda parte; eles possuem um conhecimento profundo e atualizado dos problemas interessantes dessa rea. Os autores explicam no apenas como os diversos protocolos funcionam, mas tambm por que eles funcionam dessa maneira e at mesmo por que certos protocolos so os mais importantes e interes-santes. Este livro tambm est repleto de pequenos toques de base histrica, desde o texto principal at os quadros Onde eles esto agora e os artigos descritos na seo de Leitura adicional de cada captulo estes do ao leitor uma ideia de como as coisas chegaram ao estado atual. Em geral, este livro oferece uma introduo lcida e es-clarecida sobre o uso de redes.

Peter Dordal Loyola University Chicago

Tenho usado Redes de Computadores: Uma Abordagem de Sistemas h mais de cinco anos em um curso introdu-trio sobre redes de comunicaes, visando a alunos quase formandos e de primeiro ano de Mestrado. Passei por vrias edies, e, com o passar dos anos, o livro tem mantido o que, desde o incio, foi seu principal ponto forte, a saber, que ele no apenas descreve o como, mas tambm o por que e, to importante quanto isso, o por que no das coisas. Esse um livro que desenvolve a intuio da engenharia e, nesta poca de mudanas tecnolgicas rpidas, isso essencial para se desenvolver a capacidade do aluno para tomar decises informadas e projetar ou selecionar os sistemas da prxima gerao.

Roch Guerin University of Pennsylvania

Este livro uma introduo excepcional s redes de computadores, que clara, abrangente e repleta de exemplos. Peterson e Davie possuem um dom para transformar as redes em conceitos simples e tratveis, sem comprometer o rigor tcnico. Redes de Computadores: Uma Abordagem de Sistemas luta para conseguir um equilbrio excelente entre os princpios por trs do projeto de arquitetura de rede e as aplicaes criadas em cima disso. Ele ser muito valioso para alunos e professores de cursos de graduao avanados e ps-graduao em redes.

Arvind Krishnamurthy University of Washington

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VIII REDES DE COMPUTADORES

Redes de Computadores: Uma Abordagem de Sistemas sempre foi um dos melhores recursos disponveis para obter um conhecimento profundo das redes de computadores. A ltima edio cobre os desenvolvedores recentes nessa rea. Comeando com uma viso geral no Captulo 1, os autores sistematicamente explicam os blocos de montagem bsicos das redes. So apresentados os conceitos tanto do hardware quanto do software. O material termina com um captulo sobre aplicaes, que rene todos os conceitos. Os tpicos avanados opcionais so colocados em um captulo separado. O livro-texto tambm contm um conjunto de exerccios de dificuldade varivel ao final de cada captulo, a fim de garantir que os alunos dominem o material apresentado.

Karkal Prabhu Drexel University

Peterson e Davie oferecem uma descrio detalhada, porm clara, dos protocolos da Internet em todos os nveis. Os alunos encontraro muitas ferramentas de estudo que os ajudaro a obter um conhecimento completo da tecnologia que est transformando nossa sociedade. O livro fica melhor a cada nova edio.

Jean Walrand University of California at Berkeley

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Prefcio

Mais uma vez, este livro, agora clssico, foi revisado para mant-lo atualizado com nosso campo em evoluo. Embora a Internet e seus protocolos dominem as redes de todas as partes, vemos uma evoluo contnua na tecnologia utilizada para dar suporte Internet, com a comutao na camada 2 oferecendo uma funcionali-dade rica e ferramentas poderosas para o gerenciamento de redes. A edio anterior lidava com a comutao e o roteamento em dois captulos, mas uma apresentao baseada em camadas nem sempre a melhor maneira de transmitir a essncia do material, pois o que chamamos de comutao e roteamento, na realidade, desempe-nham papis semelhantes e complementares. Esta edio do livro analisa esses tpicos de uma forma integrada, que expressa suas semelhanas e diferenas funcionais. Tpicos mais avanados no roteamento foram passados para um segundo captulo, que pode ser ignorado, dependendo da nfase e do nvel da turma.

Nunca fui adepto ao ensino de redes com base em uma tcnica puramente em camadas, conforme in-dicava o prefcio da primeira edio deste livro. Algumas questes fundamentais no uso de redes, incluindo segurana e desempenho, no podem ser resolvidas atribuindo-lhes uma camada no pode haver uma camada de desempenho. Esses tipos de assuntos so crticos e cruzados, e a organizao deste livro continua a tratar de tpicos, alm de camadas. Esse tipo de organizao reflete muita experincia no seu uso como livro-texto em sala de aula, assim como uma preferncia por uma abordagem que explica os fundamentos e tambm a prtica atual.

Algumas tecnologias agora ultrapassadas no aparecem mais ou tiveram um tratamento reduzido, incluindo token ring (um dos meus favoritos, mas certamente seu tempo j passou) e Asynchronous Transfer Mode (ATM). Esta edio reconhece que precisamos prestar mais ateno ao projeto da aplicao e no apenas ao encaminhamento de pacotes. As redes sem fios e a mobilidade tambm receberam mais ateno.

Os autores, mais uma vez, trabalharam bastante para produzir uma reviso que transmita os funda-mentos desse campo de uma maneira pedagogicamente eficaz. Tenho o prazer de dizer que ela est melhor do que nunca.

David Clark Novembro de 2010

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Prefcio Primeira Edio

O termo cdigo espaguete compreendido universalmente como um insulto. Todos os bons cientistas de computao adoram o deus da modularidade, pois a modularidade traz muitos benefcios, incluindo o todo-poderoso benefcio de no ser necessrio entender todas as partes de um problema ao mesmo tempo para poder solucion-lo. Assim, a modularidade tem um papel importante na apresentao de ideias em um livro, bem como na escrita de cdigo. Se o material de um livro for organizado de modo eficaz modularidade , ento o leitor pode comear no incio e realmente chegar at o fim.

O campo dos protocolos de rede talvez seja exclusivo porque a modularidade apropriada nos foi entregue na forma de um padro internacional: o modelo de referncia de sete camadas dos protocolos de rede da ISO. Esse modelo, que reflete uma abordagem em camadas para a modularidade, usado quase universalmente como ponto de partida para as discusses da organizao dos protocolos, no importando se o projeto em questo est em conformidade com o modelo ou se desvia dele.

Parece bvio organizar um livro sobre redes em torno desse modelo em camadas. Porm, existe um risco ao fazer isso, pois o modelo OSI no realmente bem-sucedido na organizao dos conceitos fundamentais das redes. Requisitos bsicos como confiabilidade, controle de fluxo ou segurana podem ser resolvidos em sua maioria, se no na totalidade, com as camadas OSI. Esse fato causou uma grande confuso na tentativa de compreender o modelo de referncia. s vezes, isso exige at mesmo uma suspenso da descrena. Na verdade, um livro organizado estritamente de acordo com um modelo em camadas tem alguns dos atributos do cdigo espaguete.

Isso nos leva a este livro. Peterson e Davie seguem o modelo em camadas tradicional, mas eles no alegam que esse modelo realmente ajude a entender os grandes problemas no uso de redes. Em vez disso, os autores organizam a discusso dos conceitos fundamentais de uma maneira independente das camadas. Assim, depois de ler o livro, os leitores entendero o controle de fluxo, controle de congestionamento, a melhoria da confiabilidade, a representao dos dados e a sincronizao, e entendero separadamente as implicaes do tratamento dessas questes em uma ou outra das camadas tradicionais.

Este um livro atual. Ele examina os importantes protocolos que usamos atualmente especialmente os protocolos da Internet. Peterson e Davie, h muito tempo, esto envolvidos com a Internet, com muita experincia no assunto. Assim, este livro reflete no apenas os aspectos tericos no projeto de protocolos, mas os fatores reais que importam na prtica.

O livro examina alguns dos protocolos que esto aparecendo agora, de modo que o leitor possa estar certo de que ter uma perspectiva atualizada. Porm, mais importante do que isso, a discusso das questes bsicas apresentada de uma maneira derivada da natureza fundamental do problema, e no das restries do modelo de referncia em camadas ou dos detalhes dos protocolos atuais. Em relao a isso, o que este livro apresenta tanto atual como atemporal.

A combinao de relevncia do mundo real, exemplos atuais e explicao cuidadosa dos fundamentos torna este livro exclusivo.

David D. Clark Massachusetts Institute of Technology

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Apresentao

Em 1996, quando a primeira edio deste livro foi publicada, era uma novidade poder comprar mercadorias pela Internet, e uma empresa que anunciasse seu nome de domnio era considerada moderna. Uma famlia se conectava Internet principalmente por meio de um modem discado. Hoje, o comrcio na Internet um fato da vida, e aes .com passaram por um ciclo inteiro de crescimento e queda. Redes sem fios esto em toda a parte e novos dispositivos preparados para Internet, como smartphones e tablets , aparecem no mercado a um ritmo incrvel. Parece que a nica coisa previsvel sobre a Internet a mudana constante.

Apesar dessas mudanas, a pergunta que fizemos na primeira edio ainda vlida hoje: quais so os conceitos e as tecnologias bsicas que fazem a Internet funcionar? A resposta que grande parte da arquite-tura TCP/IP continua a funcionar exatamente como foi idealizada por seus criadores h mais de trinta anos. Isso no significa dizer que a arquitetura da Internet desinteressante, muito pelo contrrio. Entender os princpios de projeto que servem de base para uma arquitetura que no apenas sobreviveu, mas promoveu o tipo de crescimento e mudana que a Internet tem visto nas trs ltimas dcadas, exatamente o lugar certo para comear. Assim como nas edies anteriores, a quinta edio torna o porqu da arquitetura da Internet sua pedra fundamental.

A quem este livro se destina Nossa inteno que o livro sirva como texto para uma aula abrangente sobre redes, seja em nvel de ps--graduao ou de graduao em um estgio avanado. Tambm acreditamos que o foco do livro nos conceitos bsicos dever ser atraente para os profissionais do setor que estejam se reciclando para tarefas relacionadas a redes, alm dos atuais profissionais de infraestrutura que queiram entender os porqus por trs dos protocolos com que trabalham no dia a dia e ver o quadro geral do uso de redes.

Pela nossa experincia, tanto alunos como profissionais aprendendo sobre redes pela primeira vez normalmente tm a impresso de que os protocolos de rede so algum tipo de decreto vindo do alto, e que seu trabalho aprender tantos ATLs (Acrnimos de Trs Letras) quanto possvel. Na realidade, os protocolos so os blocos de montagem de um sistema complexo, desenvolvido pela aplicao de princpios de projeto da engenharia. Alm do mais, eles esto constantemente sendo refinados, estendidos e substitudos com base na experincia do mundo real. Com isso em mente, nosso objetivo fazer mais do que uma anlise dos protocolos em uso atualmente. Queremos explicar os princpios bsicos do projeto de redes correto. Acreditamos que esse conhecimento dos princpios bsicos a melhor ferramenta para lidar com a taxa de mudana na rea de redes.

Reconhecemos tambm que existem muitas maneiras diferentes para as pessoas abordarem as redes. Ao contrrio de quando escrevemos nossa primeira edio, a maioria das pessoas apanhar este livro j tendo uma experincia considervel como usurios de redes. Alguns estaro aspirando a se tornarem projetistas de produtos ou protocolos de rede. Outros podem estar interessados em administrar redes, enquanto um nmero cada vez maior ser de desenvolvedores de aplicao atuais ou futuras para dispositivos em rede. Nosso foco tradicionalmente tem sido nos projetistas de produtos e protocolos futuros, e isso continua a ser verdade; porm, nesta edio, tentamos abordar os pontos de vista tanto dos gerentes de rede como dos desenvolvedores de aplicaes.

Mudanas na quinta edio Embora nosso foco seja os princpios bsicos das redes, ilustramos esses princpios usando exemplos da Internet de hoje. Portanto, acrescentamos muito material para acompanhar os avanos recentes no uso de redes. Tambm retiramos, reorganizamos e mudamos o foco do material existente para refletir as mudanas que ocorreram durante a ltima dcada.

Talvez a mudana mais significativa que observamos desde a escrita da primeira edio seja que quase todo leitor agora est acostumado com aplicaes em rede, como a world wide web e o correio eletrnico ( e-mail ). Por esse motivo, aumentamos o foco nas aplicaes, comeando no primeiro captulo. Usamos aplicaes como a motivao para o estudo de redes e para derivar um conjunto de requisitos que uma rede til precisa atender para dar suporte a aplicaes atuais e futuras em uma escala global. Porm, retemos a abordagem de resoluo de problemas das edies anteriores, que comea com o problema de interconectar

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XIV REDES DE COMPUTADORES

hosts e sobe pelas camadas para concluir com um exame detalhado dos aspectos da camada de aplicao. Acreditamos que importante tornar os tpicos abordados no livro relevantes, comeando com as aplicaes e suas necessidades. Ao mesmo tempo, acreditamos que os aspectos da camada mais alta, como os protocolos das camadas de aplicao e transporte, so mais bem compreendidos depois que os problemas bsicos da conexo de hosts e da comutao de pacotes tiverem sido explicados. Dito isso, fizemos o possvel para apresentar o material de uma maneira mais top-down , conforme descrevemos a seguir.

Assim como nas edies anteriores, acrescentamos ou aumentamos o tratamento de novos assuntos importantes e atualizamos outros tpicos. Os principais tpicos novos ou atualizados substancialmente nesta edio so:

Material atualizado sobre tecnologia sem fi os ( wireless ), particularmente os diversos tipos de redes 802.11 ( Wi-Fi ), alm das tecnologias sem fi os para celular, incluindo os padres de terceira (3G) e quarta (4G) geraes.

Tratamento atualizado dos mecanismos de controle de congestionamento, particularmente para redes com elevado produto largura de banda-atraso e redes sem fi os.

Material atualizado sobre Web Services , incluindo as arquiteturas SOAP e REST ( Representational State Transfer ).

Tratamento expandido e atualizado sobre roteamento entre domnios e o protocolo de gateway de borda (BGP).

Tratamento expandido sobre protocolos para aplicaes multimdia, como Voice over IP (VoIP) e streaming de vdeo.

Tambm diminumos o tratamento de alguns assuntos que so menos relevantes hoje em dia. Os protocolos que passaram para a categoria histrica nesta edio incluem o Asynchronous Transfer Mode (ATM) e token rings .

Uma das mudanas mais significativas nesta edio a separao do material em sees introdutria e avanada. Quisemos tornar o livro mais acessvel para pessoas iniciantes em tecnologias e protocolos de rede, sem abrir mo do material avanado exigido para as turmas de nvel mais alto. O efeito mais evidente dessa mudana que o Captulo 3 agora aborda os fundamentos da comutao, roteamento e interligao de redes, enquanto o Captulo 4 aborda os tpicos de roteamento mais avanados, como BGP, IP verso 6 e multicast . De modo semelhante, os fundamentos do protocolo de transporte so abordados no Captulo 5 , com o material mais avanado, como algoritmos de controle de congestionamento do TCP, aparecendo no Captulo 6 . Acreditamos que isso permitir que os leitores iniciantes nessa rea entendam os conceitos fundamentais importantes sem que fiquem sobrecarregados com assuntos mais complexos.

Assim como na edio anterior, inclumos uma srie de notas do tipo onde eles esto agora?. Essas rpidas discusses, atualizadas para esta edio, concentram-se no sucesso e fracasso de protocolos no mundo real. s vezes, elas descrevem um protocolo que a maioria das pessoas desacreditou, mas que, na realidade, est obtendo um sucesso maior do que o esperado; outras vezes, elas traam o destino de um protocolo que no conseguiu obter sucesso com o passar do tempo. O objetivo dessas notas tornar o material relevante, mostrando como as tecnologias se saram no mundo competitivo das redes de computadores.

Abordagem Para uma rea que to dinmica e mutvel quanto as redes de comunicaes, a coisa mais importante que um livro-texto pode oferecer a perspectiva distinguir entre o que e o que no importante, e entre o que duradouro e o que superficial. Com base em nossa experincia durante os mais de vinte e cinco anos realizando pesquisas que ocasionaram novas tecnologias de rede, ensinando a alunos graduados e em graduao sobre as tendncias mais recentes em redes e oferecendo produtos de rede avanados ao mercado, desenvolvemos uma perspectiva que chamamos de abordagem de sistemas que forma a alma deste livro. A abordagem de sistemas possui vrias implicaes:

Primeiros princpios . Em vez de aceitar os artefatos existentes como respostas absolutas, comeamos com os primeiros princpios e os acompanhamos pelo processo de raciocnio que levou s redes atuais. Isso nos permite explicar por que as redes tm a aparncia atual. Pela nossa experincia, quando voc entende os conceitos bsicos, qualquer protocolo novo que voc encontre ser relativamente fcil de entender.

No em camadas . Embora o material seja organizado livremente em torno das camadas de rede tradicionais, comeando na parte inferior e subindo pela pilha de protocolos, no adotamos uma abordagem rigidamente em camadas. Muitos assuntos controle de congestionamento e segurana so bons exemplos possuem implicaes nas partes alta e baixa da hierarquia e, portanto, so discutidos fora do modelo tradicional em camadas. Da mesma forma, roteadores e switches possuem tanta coisa

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Apresentao xv

em comum (e normalmente so combinados como um nico produto) que os discutimos no mesmo captulo. Resumindo, acreditamos que as camadas so boas para se utilizar como linha geral, mas no to boas para se seguir cegamente; normalmente mais til utilizar uma abordagem fi m a fi m.

Exemplos do mundo real. Em vez de explicar como os protocolos funcionam de forma abstrata, utilizamos os protocolos mais importantes em uso atualmente a maioria deles vinda da Internet TCP/IP para ilustrar como as redes funcionam na prtica. Isso nos permite incluir experincias do mundo real na discusso.

Software. Embora as redes de nveis mais baixos sejam construdas a partir de hardware que pode ser comprado de fornecedores de computador e por servios de comunicao que podem ser alugados da companhia telefnica, o software que permite que as redes ofeream novos servios e adaptem-se rapidamente a circunstncias variveis. por esse motivo que enfatizamos como o software de rede implementado, em vez de parar com uma descrio dos algoritmos abstratos envolvidos. Tambm inclumos segmentos de cdigo retirados de uma pilha de protocolos funcionais, a fi m de ilustrar como voc poderia implementar certos protocolos e algoritmos.

Foco fi m a fi m. As redes so construdas a partir de muitos blocos construtivos e, embora seja necessrio abstrair os elementos no interessantes ao solucionar um problema em particular, essencial entender como todas as partes se encaixam para formar uma rede funcional. Portanto, investimos um tempo considervel explicando o comportamento geral fi m a fi m das redes, e no apenas os componentes individuais, permitindo-nos entender como uma rede completa opera, desde a aplicao at o hardware .

Desempenho. A abordagem de sistemas implica realizar estudos de desempenho experimental e depois usar os dados coletados tanto para analisar quantitativamente diversas opes de projeto quanto para orientar a otimizao da implementao. Essa nfase na anlise emprica permeia o livro.

Princpios de projeto. As redes so como outros sistemas de computao por exemplo, sistemas operacionais, arquiteturas de processador, sistemas distribudos e paralelos, e assim por diante. Eles so todos grandes e complexos. Para ajudar a administrar essa complexidade, os criadores de sistemas normalmente lanam mo de uma coleo de princpios de projeto. Destacamos esses princpios de projeto medida que eles so introduzidos no livro, ilustrados, logicamente, com exemplos de redes de computadores.

Pedagogia e recursos A quinta edio mantm os recursos pedaggicos das edies anteriores, dos quais o encorajamos a tirar proveito, a saber:

Descries do problema. No incio de cada captulo, descrevemos um problema que identifi ca o prximo conjunto de questes que sero tratadas no projeto de uma rede. Essa descrio apresenta e motiva as questes a serem exploradas no captulo.

Notas em destaque. Ao longo do texto, notas com um fundo sombreado explicam o assunto sendo discutido ou apresentam um tpico avanado relacionado. Em muitos casos, essas notas se relacionam a anedotas do mundo real sobre o uso de redes.

Notas de onde esto agora. Esses novos elementos um estilo de nota com um formato distinto acompanham o sucesso e o fracasso de protocolos implementados no mundo real.

Pargrafos em destaque. Esses pargrafos resumem um trecho importante da informao, que queremos que voc apreenda da discusso, como um princpio de projeto de sistemas que pode ser amplamente aplicado.

Protocolos reais. Embora o foco deste livro seja os conceitos bsicos, em vez das especifi caes de protocolo existentes, protocolos reais so usados para ilustrar a maioria das ideias importantes. Como resultado, o livro pode ser usado como uma fonte de referncia para muitos protocolos. Para ajud-lo a encontrar as descries dos protocolos, cada ttulo de seo aplicvel identifi ca entre parnteses os protocolos descritos naquela seo. Por exemplo, a Seo 5.2 , que descreve os princpios dos protocolos fi m a fi m confi veis, fornece uma descrio detalhada do TCP, um exemplo cannico de um protocolo desse tipo.

Discusses O que vem depois?. Conclumos o corpo principal de cada captulo com uma questo importante que est atualmente se desenrolando na comunidade de pesquisa, no mundo comercial ou na sociedade como um todo. Descobrimos que a discusso dessas questes prospectivas ajuda a tornar o assunto de redes mais relevante e interessante.

Leitura recomendada. Essas listas altamente seletivas aparecem ao fi nal de cada captulo. Cada lista geralmente contm os artigos seminais sobre os tpicos recm-discutidos. Recomendamos fortemente que os leitores avanados (por exemplo, alunos de ps-graduao) estudem os artigos na lista de leitura para complementar o material abordado no captulo.

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XVI REDES DE COMPUTADORES

Roteiro e uso do curso O livro est organizado da seguinte maneira:

O Captulo 1 apresenta um conjunto das principais ideias que so usadas no restante do texto. Motivado por aplicaes amplamente adotadas, ele discute o que existe em uma arquitetura de rede, fornece uma introduo a questes de implementao de protocolos e defi ne as mtricas de desempenho quantitativo que geralmente direcionam projetos de redes.

O Captulo 2 analisa as muitas maneiras como um usurio pode se conectar a uma rede maior, como a Internet, apresentando assim o conceito de enlaces ( links ). Ele tambm descreve muitas das questes que todos os protocolos da camada de enlace precisam enfrentar, como a codifi cao, o enquadramento e a deteco de erros. As tecnologias de enlace mais importantes atualmente Ethernet e Wireless so descritas aqui.

O Captulo 3 apresenta os conceitos bsicos de comutao e de roteamento, comeando com os modelos de circuito virtual e de datagramas. Explicamos as pontes e a comutao de LANs, seguido por uma introduo interligao de redes, incluindo o Internet Protocol (IP) e os protocolos de roteamento. O captulo conclui discutindo uma srie de tcnicas baseadas em hardware e software para a montagem de roteadores e switches .

O Captulo 4 aborda tpicos avanados de interligao de redes. Entre eles esto protocolos de roteamento multirea, roteamento interdomnios e BGP, IP verso 6, Multiprotocol Label Switching (MPLS) e multicast .

O Captulo 5 sobe at o nvel de transporte, descrevendo com detalhes o Transmission Control Protocol (TCP) da Internet e a Remote Procedure Call (RPC), usados para construir aplicaes cliente-servidor. O Real-time Transport Protocol (RTP), que fornece suporte a aplicaes multimdia, tambm descrito aqui.

O Captulo 6 discute sobre controle de congestionamento e alocao de recursos. Os problemas nesse captulo envolvem o nvel de enlace ( Captulo 2 ), o nvel de rede ( Captulos 3 e 4 ) e o nvel de transporte ( Captulo 5 ). Particularmente, esse captulo descreve como funciona o controle de congestionamento no TCP e apresenta os mecanismos usados para fornecer qualidade de servio no IP.

O Captulo 7 considera os dados enviados por uma rede. Isso inclui tanto os problemas de formatao para a apresentao quanto os de sua compresso. O XML explicado aqui, e a seo de compresso inclui explicaes sobre como funcionam a compresso de vdeo MPEG e a compresso de udio MP3.

O Captulo 8 discute segurana de redes, comeando com uma viso geral das ferramentas criptogrfi cas, os problemas de distribuio de chaves e uma discusso sobre vrias tcnicas de autenticao usando chaves pblicas e privadas. O foco principal desse captulo a criao de sistemas seguros, usando exemplos que incluem Pretty Good Privacy (PGP), Secure Shell (SSH), e a arquitetura IP Security (IPSEC). Os fi rewalls tambm so explicados aqui.

O Captulo 9 descreve um exemplo representativo das aplicaes de rede e os protocolos que elas utilizam, incluindo aplicaes tradicionais como o e-mail e a web , aplicaes multimdia como telefonia IP e streaming de vdeo, e redes overlay , como o compartilhamento de arquivos peer-to-peer e as redes de distribuio de contedo. Os servios de infraestrutura o Domain Name System (DNS) e o gerenciamento de rede so descritos aqui. As arquiteturas de Web Services para o desenvolvimento de novos protocolos de aplicao tambm so apresentadas aqui.

Para um curso de graduao, provavelmente ser preciso um tempo extra na aula para ajudar os alunos a entenderem o material introdutrio no primeiro captulo, provavelmente em detrimento de material mais avanado explicado nos Captulos 4, 6, 7 e 8 . O Captulo 9 , ento, retorna ao assunto popular das aplicaes de rede. Uma turma de graduao poderia, de modo aceitvel, passar superficialmente pelas sees mais avanadas (por exemplo, as Sees 5.3, 9.3.1, 9.3.2 e 9.2.2 .).

Por outro lado, o instrutor de um curso de ps-graduao dever explicar o primeiro captulo em apenas uma ou duas aulas com os alunos estudando o material com mais cuidado por conta prpria , liberando as-sim um tempo de aula adicional para explicar o Captulo 4 e os ltimos captulos com mais profundidade.

Para aqueles que esto usando o livro como autoestudo, acreditamos que os tpicos que selecionamos abordam a parte mais importante das redes de computadores, e por isso recomendamos que o livro seja lido sequencialmente, de capa a capa. Alm disso, inclumos uma boa quantidade de referncias para ajud-lo a localizar material suplementar relevante s suas reas de interesse especficas, e inclumos solues para exerccios selecionados.

O livro utiliza uma abordagem exclusiva para o assunto de controle de congestionamento, colocando todos os tpicos relativos ao controle de congestionamento e alocao de recursos em um nico lugar o Captulo 6 . Fizemos isso porque o problema de controle de congestionamento no pode ser resolvido em um nvel apenas, e queremos que voc considere as diversas opes de projeto ao mesmo tempo. (Isso coerente

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Apresentao xvii

com nossa viso de que o uso estrito das camadas normalmente atrapalha importantes escolhas de projeto.) Porm, possvel realizar um tratamento mais tradicional do controle de congestionamento, estudando a Seo 6.2 no contexto do Captulo 3 e a Seo 6.3 no contexto do Captulo 5 .

Um caminho de cima para baixo Como a maioria dos alunos atualmente entra em uma aula de redes familiarizada com as suas aplicaes em rede, diversas turmas usam a aplicao como seu ponto de partida. Embora abordemos as aplicaes em um alto nvel no Captulo 1 , somente no Captulo 9 discutimos com detalhes as questes da camada de aplicao. Reconhecendo que alguns professores ou leitores podem querer seguir uma ordem mais de cima para baixo, sugerimos o seguinte mtodo como uma forma possvel de estudar o material deste livro.

Captulo 1 . Este captulo descreve as aplicaes e seus requisitos para preparar o terreno para o restante do material.

Captulo 9 . As sees sobre aplicaes tradicionais ( Seo 9.1 ) e aplicaes multimdia ( Seo 9.2 ) apresentaro aos leitores os conceitos de protocolos de rede usando os exemplos de aplicaes com as quais eles j esto acostumados. A Seo 9.3.1 (DNS) tambm poderia ser estudada.

A Seo 7.2 poderia ser estudada em seguida, para explicar como os dados gerados por aplicaes multimdia so codifi cados e compactados.

Captulo 5 . Os fundamentos dos protocolos de transporte podem agora ser estudados, explicando como os dados gerados pelos protocolos da camada de aplicao podem ser transportados pela rede de modo confi vel.

Captulo 3 . Comutao, Interligao de redes e Roteamento podem ser compreendidos como oferecendo a infraestrutura sobre a qual os protocolos de transporte so executados.

Captulo 2 . Finalmente, podem ser analisadas as questes de como os dados so realmente codifi cados e transmitidos em meios fsicos, tais como Ethernet e enlaces sem fi o.

Logicamente, pulamos muitas sees nessa ordem de estudo. Para um curso mais avanado ou para o autoestudo abrangente, tpicos como alocao de recursos ( Captulo 6 ), segurana ( Captulo 8 ) e os tpicos avanados no Captulo 4 poderiam ser acrescentados no final. A segurana poderia ser abordada quase separadamente, mas todos estes tpicos avanados faro mais sentido aps o IP e o TCP terem sido abordados nos Captulos 3 e 5 , respectivamente.

Observe que os slides disponibilizados em nosso site incluem um conjunto que acompanha essa ordem de cima para baixo, alm do conjunto que segue a ordem do livro.

Exerccios Muito esforo foi empregado para melhorar os exerccios a cada nova edio. Na segunda edio, aumentamos bastante o nmero de problemas e, com base em testes em sala de aula, melhoramos muito sua qualidade. Na terceira edio, fizemos duas outras mudanas importantes, que mantivemos aqui:

Para os exerccios que acreditamos ser particularmente desafi adores ou que exigem conhecimento especial no fornecido no livro (por exemplo, conhecimento de probabilidades), acrescentamos um cone para indicar o nvel de difi culdade extra.

Em cada captulo, acrescentamos alguns exerccios extras representativos, para os quais existem solues resolvidas no fi nal do livro. Esses exerccios, marcados com , oferecem alguma ajuda para resolver outros exerccios no livro.

Nesta edio, acrescentamos novos exerccios para refletir o contedo atualizado. O conjunto atual de exerccios possui diversos estilos distintos:

Exerccios analticos que pedem ao aluno para realizar clculos algbricos simples para demonstrar sua compreenso das relaes fundamentais.

Perguntas de projeto que pedem ao aluno para propor e avaliar protocolos para diversas circunstncias. Perguntas prticas que pedem ao aluno para escrever algumas linhas de cdigo a fi m de testar uma

ideia ou experimentar um utilitrio de rede existente. Perguntas de pesquisa que pedem ao aluno para aprender mais sobre um assunto em particular.

Alm disso, conforme descrevemos com mais detalhes a seguir, tarefas de programao baseada em sockets , alm de experimentos de simulao em laboratrio, esto disponveis on-line .

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XVIII REDES DE COMPUTADORES

Material suplementar e recursos on-line Para auxiliar os instrutores, preparamos um manual do instrutor que contm solues para exerccios selecionados. O manual est disponvel com a editora.

Materiais de suporte adicionais, incluindo slides para aulas, figuras do texto, tarefas de programao baseada em sockets e exemplos de exames e tarefas de programao esto disponveis em www.elsevier.com.br/petersonedavie.

E, finalmente, assim como na quarta edio, um conjunto de experimentos de laboratrio complementa o livro. Esses experimentos, desenvolvidos pelo Professor Emad Aboelela da University of Massachusetts em Dartmouth, utilizam simulaes para explorar o comportamento, a escalabilidade e o desempenho dos protocolos explicados no livro. As sees que discutem o material abordado pelos exerccios de laboratrio so marcadas com o cone mostrado na margem. As simulaes utilizam o conjunto de ferramentas de simulao OPNET, que est disponvel gratuitamente a qualquer um que utiliza este livro em seu curso.

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Agradecimentos

Este livro no teria sido possvel sem a ajuda de muitas pessoas. Gostaramos de agradec-las por seus esforos na melhoria do resultado final. Porm, antes de fazermos isso, temos de mencionar que fizemos o mximo para corrigir os erros que os revisores indicaram e para descrever com preciso os protocolos e mecanismos que nossos colegas nos explicaram.

Em primeiro lugar, gostaramos de agradecer s muitas pessoas que revisaram os rascunhos de todo ou parte do manuscrito. Alm daqueles que revisaram as edies anteriores, queremos agradecer a Peter Dordal, Stefano Basagni, Yonshik Choi, Wenbing Zhao, Sarvesh Kulkarni, James Menth e John Doyle (e um revisor annimo) por suas revises completas. Obrigado tambm a Dina Katabi e Hari Balakrishnan por suas revises de vrias sees. Tambm queremos agradecer a todos os que ofereceram suas opinies e nos ajudaram a decidir sobre o que fazer nesta edio.

Vrios membros do Network Systems Group em Princeton colaboraram com ideias, exemplos, correes, dados e cdigo para este livro. Particularmente, gostaramos de agradecer a Andy Bavier, Tammo Spalink, Mike Wawrzoniak, Stephen Soltesz e KyoungSoo Park. Obrigado tambm a Shankar M. Banik, por desenvolver os dois conjuntos abrangentes de slides que acompanham o livro.

Em terceiro lugar, gostaramos de agradecer ao nosso editor da srie, David Clark, alm de todo o pessoal da Morgan Kaufmann que nos ajudou durante o processo de escrita do livro. Devemos um agradecimento especial nossa editora patrocinadora original, Jennifer Young; nosso editor desta edio, Rick Adams; nosso editor de desenvolvimento, Nate McFadden; editor assistente David Bevans; e nosso editor de produo, Paul Gottehrer. Tambm agradecemos editora na MKP, Laura Colantoni, cuja liderana nos inspirou a realizar esta reviso.

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Sumrio Prefcio Primeira Edio xi

Apresentao xiii

Agradecimentos xix

1 Fundamentos 1

Problema: montando uma rede 1

1.1 Aplicaes 2

1.1.1 Classes de aplicaes 2

1.2 Requisitos 4

1.2.1 Perspectivas 4

1.2.2 Conectividade escalvel 5

1.2.3 Compartilhamento de recursos de forma econmica 8

1.2.4 Suporte para servios comuns 11

1.2.5 Facilidade de gerenciamento 15

1.3 Arquitetura da rede 15

1.3.1 Uso de camadas e protocolos 16

1.3.2 Arquitetura Internet 21

1.4 Implementando software de rede 23

1.4.1 Interface de programao de aplicao (sockets) 23

1.4.2 Exemplo de aplicao 25

1.5 Desempenho 28

1.5.1 Largura de banda e latncia 28

1.5.2 Produto atraso largura de banda 31

1.5.3 Redes de alta velocidade 32

1.5.4 Necessidades de desempenho da aplicao 34

1.6 Resumo 35

O que vem em seguida: Computao em nuvem 36

Leitura adicional 37

Exerccios 38

2 Conectando-se 45

Problema: conectando-se a uma rede 45

2.1 Perspectivas na conexo 46

2.1.1 Classes de enlaces 47

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2.2 Codificao (NRZ, NRZI, Manchester, 4B/5B) 49

2.3 Enquadramento 52

2.3.1 Protocolos orientados a byte (BISYNC, PPP, DDCMP) 52

2.3.2 Protocolos orientados a bits (HDLC) 54

2.3.3 Enquadramento baseado em relgio (SONET) 55

2.4 Deteco de erros 57

2.4.1 Paridade bidimensional 58

2.4.2 Algoritmo de soma de verificao da Internet 59

2.4.3 Verificao de redundncia cclica (CRC) 60

2.5 Transmisso confivel 63

2.5.1 Parar e esperar 64

2.5.2 Janela deslizante 66

2.5.3 Canais lgicos concorrentes 72

2.6 Ethernet e redes de acesso mltiplo (802.3) 73

2.6.1 Propriedades fsicas 74

2.6.2 Protocolo de acesso 75

2.6.3 Experincia com Ethernet 78

2.7 Redes sem fios 79

2.7.1 802.11/Wi-Fi 83

2.7.2 Bluetooth (802.15.1) 88

2.7.3 Tecnologias de telefone celular 89

2.8 Resumo 91

O que vem em seguida: a Internet das coisas 92

Leitura adicional 93

Exerccios 94

3 Interconexo de redes 103

Problema: nem todas as redes esto diretamente conectadas 103

3.1 Comutao e pontes 104

3.1.1 Datagramas 105

3.1.2 Comutao de circuitos virtuais 106

3.1.3 Roteamento na origem 114

3.1.4 Bridges e switches de LAN 116

3.2 Fundamentos de interligao de redes (IP) 124

3.2.1 O que uma inter-rede? 124

3.2.2 Modelo de servio 126

3.2.3 Endereos globais 131

3.2.4 Encaminhamento de datagrama no IP 132

XXII REDES DE COMPUTADORES

C0090.indd xxiiC0090.indd xxii 1/18/13 2:00:52 PM1/18/13 2:00:52 PM

Sumrio xxiii

3.2.5 Sub-redes e endereamento sem classes 135

3.2.6 Traduo de endereos (ARP) 140

3.2.7 Configurao de host (DHCP) 142

3.2.8 Relatrio de erros (ICMP) 144

3.2.9 Redes virtuais e tneis 144

3.3 Roteamento 147

3.3.1 Rede como um grafo 148

3.3.2 Vetor de distncias (RIP) 149

3.3.3 Estado do enlace (OSPF) 154

3.3.4 Mtrica 160

3.4 Implementao e desempenho 163

3.4.1 Fundamentos de um comutador 163

3.4.2 Portas 165

3.4.3 Malhas 167

3.4.4 Implementao de roteadores 169

3.5 Resumo 171

O que vem em seguida: a Internet do futuro 172

Leitura adicional 173

4 Interligao avanada de redes 187

Problema: escalabilidade at bilhes 187

4.1 A Internet global 187

4.1.1 reas de roteamento 189

4.1.2 Roteamento interdomnios (BGP) 190

4.1.3 IP verso 6 (IPv6) 198

4.2 Multicast 206

4.2.1 Endereos multicast 207

4.2.2 Roteamento multicast (DVMRP, PIM, MSDP) 208

4.3 Multiprotocol label switching (MPLS) 216

4.3.1 Encaminhamento baseado no destino 217

4.3.2 Roteamento explcito 221

4.3.3 Redes privadas virtuais e tneis 222

4.4 Roteamento entre dispositivos mveis 226

4.4.1 Desafios para a rede mvel 226

4.4.2 Roteamento para hosts mveis (IP mvel) 227

4.5 Resumo 231

O que vem em seguida: Implantao do IPv6 232

Leitura adicional 233

Exerccios 233

C0090.indd xxiiiC0090.indd xxiii 1/18/13 2:00:52 PM1/18/13 2:00:52 PM

5 Protocolos fim a fim 239

Problema: fazer com que os processos se comuniquem 239

5.1 Demultiplexador simples (UDP) 240

5.2 Fluxo de bytes confivel (TCP) 242

5.2.1 Problemas fim a fim 242

5.2.2 Formato do segmento 244

5.2.3 Estabelecimento e trmino da conexo 246

5.2.4 Janela deslizante revisada 249

5.2.5 Iniciando a transmisso 254

5.2.6 Retransmisso adaptativa 256

5.2.7 Fronteiras de registro 259

5.2.8 Extenses do TCP 259

5.2.9 Desempenho 261

5.2.10 Escolhas de projeto alternativas 263

5.3 Remote procedure call 264

5.3.1 Fundamentos de RPC 265

5.3.2 Implementaes do RPC (SunRPC, DCE) 270

5.4 Real-time transport protocol (RTP) 274

5.4.1 Requisitos 275

5.4.2 Detalhes do RTP 277

5.4.3 Protocolo de controle 280

5.5 Resumo 282

O que vem em seguida: Diversidade do protocolo de transporte 283

Leitura adicional 283

Exerccios 284

6 Controle de congestionamento e alocao de recursos 293

Problema: alocar recursos 293

6.1 Problemas na alocao de recursos 294

6.1.1 Modelo de rede 294

6.1.2 Classificao 297

6.1.3 Critrios de avaliao 298

6.2 Disciplinas de enfileiramento 301

6.2.1 FIFO 301

6.2.2 Enfileiramento justo 302

6.3 Controle de congestionamento do TCP 305

6.3.1 Aumento aditivo/diminuio multiplicativa 306

6.3.2 Partida lenta 309

XXIV REDES DE COMPUTADORES

C0090.indd xxivC0090.indd xxiv 1/18/13 2:00:52 PM1/18/13 2:00:52 PM

Sumrio xxv

6.3.3 Retransmisso rpida e recuperao rpida 312

6.4 Mecanismos para impedir o congestionamento 314

6.4.1 DECbit 315

6.4.2 Deteco aleatria antecipada (RED) 316

6.4.3 Prevenindo o congestionamento com base na origem 320

6.5 Qualidade de servio 324

6.5.1 Requisitos da aplicao 324

6.5.2 Servios Integrados (RSVP) 328

6.5.3 Servios diferenciados (EF, AF) 335

6.5.4 Controle de congestionamento baseado em equao 340

6.6 Resumo 341

O que vem em seguida: reprojetando a rede 342

Leitura adicional 342

Exerccios 343

7 Dados fim a fim 353

Problema: o que fazemos com os dados? 353

7.1 Formatao de apresentao 354

7.1.1 Taxonomia 355

7.1.2 Exemplos (XDR, ASN.1, NDR) 357

7.1.3 Linguagens de marcao (XML) 361

7.2 Dados multimdia 363

7.2.1 Tcnicas de compresso sem perdas 364

7.2.2 Representao e compresso de imagem

(GIF, JPEG) 367

7.2.3 Compresso de vdeo (MPEG) 371

7.2.4 Transmisso MPEG por uma rede 374

7.2.5 Compresso de udio (MP3) 377

7.3 Resumo 379

O que vem em seguida: vdeo por toda parte 379

Leitura adicional 380

Exerccios 380

8 Segurana de redes 385

Problema: ataques segurana 385

8.1 Blocos de montagem criptogrficos 386

8.1.1 Princpios de cifras 386

8.1.2 Cifras de chave simtrica 389

C0090.indd xxvC0090.indd xxv 1/18/13 2:00:52 PM1/18/13 2:00:52 PM

8.1.3 Cifras de chave pblica 390

8.1.4 Autenticadores 391

8.2 Pr-distribuio de chaves 394

8.2.1 Pr-distribuio de chaves pblicas 395

8.2.2 Pr-distribuio de chaves simtricas 398

8.3 Protocolos de autenticao 398

8.3.1 Tcnicas de originalidade e pontualidade 399

8.3.2 Protocolos de autenticao de chave pblica 400

8.3.3 Protocolos de autenticao de chave simtrica 401

8.3.4 Acordo de chaves Diffie-Hellman 403

8.4 Exemplos de sistemas 405

8.4.1 Pretty Good Privacy (PGP) 405

8.4.2 Secure Shell (SSH) 407

8.4.3 Segurana na camada de transporte (TLS, SSL, HTTPS) 409

8.4.4 IP Security (IPsec) 412

8.4.5 Segurana sem fios (802.11i) 413

8.5 Firewalls 415

8.5.1 Pontos fortes e fracos dos firewalls 417

8.6 Resumo 418

O que vem em seguida: Lidando com a segurana 420

Leitura adicional 420

Exerccios 421

9 Aplicaes 425

Problema: aplicaes precisam de protocolos prprios 425

9.1 Aplicaes tradicionais 425

9.1.1 Correio eletrnico (SMTP, MIME, IMAP) 426

9.1.2 World Wide Web (HTTP) 432

9.1.3 Web Services 438

9.2 Aplicaes multimdia 444

9.2.1 Controle de sesso e controle de chamada (SDP, SIP, H.323) 444

9.2.2 Alocao de recursos para aplicaes multimdia 451

9.3 Servios de infraestrutura 454

9.3.1 Servio de nomes (DNS) 455

9.3.2 Network Management (SNMP) 461

XXVI REDES DE COMPUTADORES

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Sumrio xxvii

9.4 Redes overlay 463

9.4.1 Overlays de roteamento 465

9.4.2 Redes peer-to-peer 470

9.4.3 Redes de distribuio de contedo 479

9.5 Resumo 483

O que vem em seguida: nova arquitetura de rede 483

Leitura adicional 484

Exerccios 485

ndice remissivo 505

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