Bruno Dias Joaquim Macedo Grupo de Comunicações por...
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Comunicações por Computador I
Bruno DiasJoaquim Macedo
Grupo de Comunicações por ComputadorDepartamento de Informática
Universidade do Minho
GCOM - Grupo de Comunicações por Computador Mestrado & Curso de Especialização em
Informática 2
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Departamento de InformáticaPrograma
Pilhas Protocolares: OSI vs Internet; evoluções tecnológicas.Tecnologias de Redes de Computadores: redes digitais por
pacotes, mensagens ou células; tecnologias de acesso e meios de transmissão; endereçamento de nível dois.
Redes IP: integração por encapsulamento/multiplexagem; endereçamento e encaminhamento interno e externo; evolução do IPv4 para o IPv6; redes unicast, multicast e anycast; segurança em redes IP.
Protocolos de Transporte Internet: TCP vs UDP; endereçamento e multiplexagem.
Protocolos Aplicacionais na Internet: evolução dos protocolos principais e introdução às aplicações distribuídas mais recentes; arquitecturas de gestão de redes.
Suporte a Aplicações Multimédia em Tempo Real: fundamentos de áudio e vídeo; introdução à comunicação em grupo; requisitos de qualidade serviço e desempenho da rede.
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Departamento de InformáticaBibliografia Essencial
Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring theInternet – 3rd Ed., James F. Kurose & Keith W. Ross, Addison-Wesley, 2004.
Computer Networks and Internets – 4th Ed., Douglas E. Comer, Prentice Hall, 2003.
Quality of Service for Internet Multimedia, Jitae Shin, Daniel C. Lee, C.-C. Jay Kuo, Prentice Hall, 2003.
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Departamento de InformáticaVisão Genérica
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Departamento de InformáticaSistemas Terminais
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Departamento de InformáticaCamada de Rede
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Departamento de Informática
Subnet Router
Host
LAN
Fonte: Computer Networks - 3rd Ed., A. Tanenbaum, Prentice Hall, 1996
Hosts, Nets & SubNets
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Departamento de InformáticaRouter: Uma Super-Simplificação
Buffer (de pacotes) interno
Linha E
ntrada(/Saída)
Linha (Entrada/)Saída
CPU +
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Layer 5
Layer 4
Layer 3
Layer 2
Layer 1
Host 1
Layer 4/5 interface
Layer 3/4 interface
Layer 2/3 interface
Layer 1/2 interface
Layer 5 protocolLayer 5
Layer 4
Layer 3
Layer 2
Layer 1
Host 2
Layer 4 protocol
Layer 3 protocol
Layer 2 protocol
Layer 1 protocol
Physical medium
Fonte: Computer Networks - 3rd Ed., A. Tanenbaum, Prentice Hall, 1996
Camadas e Protocolos
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Departamento de Informática
Name of unit exchanged
Presentation
Application
Session
Transport
Network
Data link
Physical
7
6
5
4
3
2
1
Interface
Interface
Host A
APDU
PPDU
SPDU
TPDU
Packet
Frame
Bit
Presentation
Application
Session
Transport
Network
Data link
Physical
Host B
Network Network
Data link Data link
Physical Physical
Router Router
Internal subnet protocol
Application protocol
Presentation protocol
Transport protocol
Session protocol
Communication subnet boundary
Network layer host-router protocol
Data link layer host-router protocolPhysical layer host-router protocol
Fonte: Computer Networks - 3rd Ed., A. Tanenbaum, Prentice Hall, 1996
Modelo de Referência OSI
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Departamento de Informática
H2H3
H4
M1
T2
H2
H3
M2
T2
H2
H3
H4
M1
T2
H2
H3
M2
T
2H3H4
M1
H3
M2
H3
H4
M1
H3
M2
H4 M H4 M
M M
Layer 2
protocol2
Layer 3
protocol
Layer 4 protocol
Layer 5 protocol
3
4
5
1
Layer
Source machine Destination machine
Suporte à comunicação…
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Applicationlayer
Sessionlayer
Transportlayer
Networklayer
Data link layer
Physicallayer
Presentationlayer
Applicationlayer
Sessionlayer
Transportlayer
Networklayer
Data link layer
Physicallayer
Presentationlayer
Networkprotocol
Actual data transmission path
Transportprotocol
Session protocol
Presentation protocol
Application protocol
Data
Data
Data
Data
Data
Data
Data
Bits
AH
PH
SH
TH
NH
DH DT
SendingProcess
ReceivingProcess
Fonte: Computer Networks - 3rd Ed., A. Tanenbaum, Prentice Hall, 1996
Cabeçalhos & Overhead
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TCP/IPOSI
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data link
Physical
7
6
5
4
3
2
1
Application
Transport
Internet
Host-to-network
Not presentin the model
Modelos de Referência TCP/IP vs OSI
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Pilha TCP/IP inicial: Protocolos e redes de suporte
ARPANET
Protocols
Networks
TELNET
TCP UDP Transport
LAN
DNS Application
Layer (OSI names)
Packetradio
Physical +data link
SMTP
SATNET
FTP
IP Network
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Computer Computer
ModemEndoffice
Tolloffice
Endoffice
Modem
Digital(short cable)
Digital(short cable)
Analog(localloop)
Digital(telephonecompanytrunks)
Analog(localloop)
Codec Codec
Customer premisesequipment
Customer premisesequipment
The use of both analogand digital transmission for acomputer to computer call. Conversion is done by the modemsand codecs.
Transmissão: Digital-Analógico-Digital
Fonte: Computer Networks - 3rd Ed., A. Tanenbaum, Prentice Hall, 1996
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(a)
(b)
Switching office
Physical copperconnection set upwhen call is made
Packets queued upfor subsequenttransmission
Computer
Computer
Comutação: Circuitos e Pacotes
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Coppertwisted pair
Switchingoffice
High-bandwidthfiber trunk
Junctionbox
(a)
House
Fiber
Fiber to the Curb: (a) Using the telephone network.
Fonte: Computer Networks - 3rd Ed., A. Tanenbaum, Prentice Hall, 1996
Redes e Ligações de Acesso
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Switch
(b)
High-bandwidthfiber trunk
Coppercable TVwire
House
Junction box
Fiber
(b) Using the cable TV network.Fiber to the Curb:
Fonte: Computer Networks - 3rd Ed., A. Tanenbaum, Prentice Hall, 1996
Redes e Ligações de Acesso
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Departamento de InformáticaModelo Abstracto de Rede
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Departamento de InformáticaCamada de Rede
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Departamento de InformáticaRede: Circuito Virtual
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Departamento de InformáticaRede: Datagramas
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Data
Pkt 1
Pkt 2
Pkt 3
Pkt 1
Pkt 2
Pkt 3
Pkt 1
Pkt 2
Pkt 3
A B C D
Msg
Msg
Msg
A B C DA B C D
Propagationdelay
Queuingdelay
Call request signal
Timespent
huntingfor an
outgoingtrunk
Call acceptsignal
ABtrunk
BCtrunk
CDtrunk
(a) (b) (c)
Time
Comutação
Fonte: Computer Networks - 3rd Ed., A. Tanenbaum, Prentice Hall, 1996
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Departamento de Informática
• Sem garantia de Serviço
• BE – Best Effort
• LBE – Less than Best Effort
• UBR – Unspecified Bit Rate
• Com garantia de Serviço
• CBR – Constant Bit Rate
• VBR – Variable Bit Rate (rt/nrt – real time/no)
• ABR – Available Bit Rate
Modelos de Serviço
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Issue DQDB SMDS X.25
Frame
Relay
ATM
AAL
Connection oriented SIM NÃO SIM SIM SIM
Normal speed (Mbps) 45 45 0.064 1.5 155
Switched NÃO SIM SIM NÃO SIM
Fixed-size payload SIM NÃO NÃO NÃO NÃO
Max payload 44 9188 128 1600 Variável
Permanent VCs NÃO NÃO SIM SIM SIM
Multicasting NÃO SIM NÃO NÃO SIM
Diferentes Serviços de Rede
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Departamento de Informática
Network
Architect.
Service
Model
Bandwidth
Guarantee
No Loss
Guarante
e
Ordering TimingCongestion
indication
IPBest
EffortNone None
Any order
possibleNo None
ATM CBRGuaranteed
constant rateYes In order Yes No Congestion
ATM VBRGuaranteed
variable rateYes In order Yes No Congestion
ATM ABRGuaranteed
minimum rateNone In order No
Congestion
indication
ATM UBR None None In order No None
Tecnologia ATM vs IP
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Departamento de Informática
Router /
EncaminhadorRouter / Router /
EncaminhadorEncaminhador
Link / Link /
LigaçãoLigação
Custo LinkCusto LinkROTAROTA
LL1111
LL1212
LL1313
Redes e Rotas
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2L13DE
............
3L13DC
............
0AA
CustoLinkPróximo NóDestino
NNÓÓ AA
Tabela de Encaminhamento
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Departamento de InformáticaEncaminhamento IP
Fonte: Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet
J. Kurose, Addison-Wesley, 2001
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Departamento de InformáticaInternet: Estado Out/2002Routing Table Report 20:00 +10GMT Fri 18 Oct, 2002
Analysis Summary----------------
BGP routing table entries examined: 116.117Prefixes after maximum aggregation: 74.648Unique aggregates announced to Internet: 55.576
Total ASes present in the Internet Routing Table: 13.917...Number of addresses announced to Internet: 1.176.988.512...
Percentage of available address space announced: 31.8%Percentage of allocated address space announced: 58.2%Percentage of available address space allocated: 54.6%
Total # prefixes smaller than registry allocations: 48.263
...
End of report
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Departamento de InformáticaInternet: Estado Out/2003Routing Table Report 04:00 +10GMT Sat 04 Oct,
2003
Analysis Summary----------------BGP routing table entries examined: 128.816
Prefixes after maximum aggregation: 80.246Unique aggregates announced to Internet: 62.008
Total ASes present in the Internet Routing Table: 15.914...Number of addresses announced to Internet: 1.245.394.468...Percentage of available address space announced: 33.6%
Percentage of allocated address space announced: 60.0%Percentage of available address space allocated: 56.0%
Total # prefixes smaller than registry allocations: 57.8263
...End of report
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Departamento de InformáticaEncaminhamento: Abstracção
Abstracção Grafo:• Nós do grafo: são
routers
• Arcos do grafo: sãoligações físicas• Custo do link: atraso,
K/capacidade, nívelcongestão, custo €
Objectivo: determinar um “bom” caminho src-dst(sequência de routers)
Protocolo Routing
A
ED
CB
F
2
2
13
1
1
2
53
5
• “Bom” caminho:• Tipicamente significa“custo mínimo”
• Mas… há outras def’s
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Departamento de Informática
Informação:Global:• Todos os routers têm
conhecimento completo de topologia e custo dos links
• Algoritmos estado das ligações(LS-“link state”)
Distribuída: • Router só conhece vizinhos
(fisicam/ ligados) e custo doslinks respectivos
• Processo de computação iterativa, troca de informação com vizinhos
• Algoritmos de vector de distância(DV-“distance vector”)
Actualização:Estáticos:
• Rotas não mudamcom o tempo
Dinâmicos:
• Rotas variam com o tempo
• Em resposta à variação do custo das ligações
• Actualização periódica e/ouassíncrona
Algoritmos de Encaminhamento
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Encaminhamento:Algoritmos DV
Fonte: Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet, J. Kurose, Addison-Wesley, 2001
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Da Tabela de Distânciasà Tabela de Encaminhamento
D ()
A
B
C
D
A
1
7
6
4
B
14
8
9
11
D
5
5
4
2
ECusto p/ o destino via
des tinat ion
A
B
C
D
A,1
D,5
D,4
D,2
Link Saída, custo
des tinat ion
Tabela Distâncias Tabela de Routing
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Departamento de InformáticaAlgoritmo DVIterativo, assíncrono:• Cada iteração local é
causada por:• mudança no custo do
link local ou• recepção de mensagem
do vizinho (vizinhoanuncia novo custo)
Distribuído:• Cada nó notifica
vizinhos só quandomuda o menor custopara qualquer destino(se necessário, vizinhosnotificam vizinhos)
Esperar msg do vizinho com informação de alteração de menor custo do link
Recalcular tabela distâncias
Se mudou(menor-custo(qq-DEST)
então avisar vizinhos
Em cada nó:
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Departamento de Informática
Distance Vector (DV) Algorithm. At each node, X:
1 Initialization:
2 for all adjacent nodes v:
3 DX(*,v) = infty /* the * operator means "for all rows" */
4 DX(X,v) = c(X,v)
5 for all destinations, y
6 send minwD(y,w) to each neighbor /* w over all X's neighbors */
7 loop forever8 wait (until I see a link cost change to neighbor V 9 or until I receive update from neighbor V)…
Fonte: Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet
J. Kurose, Addison-Wesley, 2001
Algoritmo DV
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10 if (c(X,V) changes by d)
11 /* change cost to all dest's via neighbor v by d */
12 /* note: d could be positive or negative */
13 for all destinations y: DX(y,V) = DX(y,V) + d
14
15 else if (update received from V wrt destination Y)
16 /* shortest path from V to some Y has changed */
17 /* V has sent a new value for its minwDV(Y,w) */
18 /* call this received new value is "newval" */
19 for the single destination y: DX(Y,V) = c(X,V) + newval
20
21 if we have a new minwDX(Y,w) for any destination Y
22 send new value of minwDX(Y,w) to all neighbors
Fonte: Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet
J. Kurose, Addison-Wesley, 2001
Algoritmo DV
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Departamento de Informática
Fonte: Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet
J. Kurose, Addison-Wesley, 2001
Algoritmo DV
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Departamento de InformáticaAlgoritmo DV - Exemplo
X Z
12
7
Y
D (Y,Z)X
c(X,Z) + min {D (Y,w)}w=
= 7+1 = 8
Z
D (Z,Y)X
c(X,Y) + min {D (Z,w)}w=
= 2+1 = 3
Y
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Departamento de InformáticaDV: Good News Travel Fast
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Departamento de Informática
DV: Bad News…Count to Infinity!
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Departamento de InformáticaDV – Actualizações forçadas
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Departamento de Informática
Link State (LS) Algorithm:
1 Initialization:
2 N = {A}
3 for all nodes v
4 if v adjacent to A
5 then D(v) = c(A,v)
6 else D(v) = infty
7 Loop
8 find w not in N such that D(w) is a minimum
9 add w to N
10 update D(v) for all v adjacent to w and not in N:
11 D(v) = min( D(v), D(w) + c(w,v) )
12 /* new cost to v is either old cost to v or known
13 shortest path cost to w plus cost from w to v */
14 until all nodes in N
Encaminhamento: Algoritmos deEstado das Ligações (LS)
Fonte: Comp. Net.: A Top-Down Approach[…], J. Kurose, Addison-Wesley, 2001
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Departamento de Informática
step N D(B),p(B) D(C),p(C) D(D),p(D) D(E),p(E) D(F),p(F)
0 A 2,A 5,A 1,A infty infty
Algoritmo LS: Exemplo
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Departamento de Informática
step N D(B),p(B) D(C),p(C) D(D),p(D) D(E),p(E) D(F),p(F)
0 A 2,A 5,A 1,A infty infty
1 AD 2,A 4,D 2,D infty
Algoritmo LS: Exemplo
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Departamento de Informática
step N D(B),p(B) D(C),p(C) D(D),p(D) D(E),p(E) D(F),p(F)
0 A 2,A 5,A 1,A infty infty
1 AD 2,A 4,D 2,D infty
2 ADE 2,A 3,E 4,E
Algoritmo LS: Exemplo
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Departamento de Informática
step N D(B),p(B) D(C),p(C) D(D),p(D) D(E),p(E) D(F),p(F)
0 A 2,A 5,A 1,A infty infty
1 AD 2,A 4,D 2,D infty
2 ADE 2,A 3,E 4,E
3 ADEB 3,E 4,E
Algoritmo LS: Exemplo
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Departamento de Informática
step N D(B),p(B) D(C),p(C) D(D),p(D) D(E),p(E) D(F),p(F)
0 A 2,A 5,A 1,A infty infty
1 AD 2,A 4,D 2,D infty
2 ADE 2,A 3,E 4,E
3 ADEB 3,E 4,E
4 ADEBC 4,E
Algoritmo LS: Exemplo
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Departamento de Informática
step N D(B),p(B) D(C),p(C) D(D),p(D) D(E),p(E) D(F),p(F)
0 A 2,A 5,A 1,A infty infty
1 AD 2,A 4,D 2,D infty
2 ADE 2,A 3,E 4,E
3 ADEB 3,E 4,E
4 ADEBC 4,E
5 ADEBCF
Algoritmo LS: Exemplo
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Departamento de InformáticaLSA – Oscilações
Fonte: Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet,
J. Kurose, Addison-Wesley, 2001
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Departamento de InformáticaInternet: Camada de Rede
routingtable
Routing protocols•path selection•RIP, OSPF, BGP
IP protocol•addressing conventions•datagram format•packet handling conventions
ICMP protocol•error reporting•router “signaling”
Transport layer: TCP, UDP
Link layer
physical layer
Networklayer
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Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Departamento de InformáticaEndereçamento IP• Endereço IP – identificador de
32-bit parameters ligação entre
equipamento e link físico:
• Os routers têm,
obrigatoriamente, múltiplas
interfaces lógicas (>1)
• Os hosts podem ter múltiplas
interfaces lógicas
• Os endereços IP associam-
se a interfaces físicos e
identificam interfaces lógicos
(não a hosts ou a routers)
223.1.1.1
223.1.1.2
223.1.1.3
223.1.1.4 223.1.2.9
223.1.2.2
223.1.2.1
223.1.3.2223.1.3.1
223.1.3.27
223.1.1.1 = 11011111 00000001 223.1.1.1 = 11011111 00000001 223.1.1.1 = 11011111 00000001 223.1.1.1 = 11011111 00000001 00000001000000010000000100000001 00000001000000010000000100000001
223 1 11
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Informática 54
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Departamento de Informática
• Endereço IP:
• Parte da Rede (high order
bits or MSBs);
• Parte do Interface (low order
bits or LSBs).
• Que é uma Rede IP, em termos
de endereçamento?
• Conjunto de Interfaces de
dispositivos com a mesma
identificação/parte de rede e
fisicamente atingíveis entre si
sem intervenção de router.
Interligações entre três redes IP.
Endereçamento IP
LAN
223.1.1.1
223.1.1.2
223.1.1.3
223.1.1.4 223.1.2.9
223.1.2.2
223.1.2.1
223.1.3.2223.1.3.1
223.1.3.27
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Informática 55
Universidade do MinhoEscola de Engenharia
Departamento de Informática
- Como encontrar e
representar redes?
223.1.3.2223.1.3.1
223.1.3.27
223.1.1.1
223.1.1.3
223.1.1.4
223.1.2.2223.1.2.1
223.1.2.6
223.1.1.2
223.1.7.0
223.1.7.1
223.1.8.0223.1.8.1
223.1.9.1
223.1.9.2
Sistema com seisredes Interligadas.
Endereçamento IP
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0 network host
10 network host
110 network host
1110 multicast address
A
B
C
D
class
1.0.0.0 to127.255.255.255
128.0.0.0 to191.255.255.255
192.0.0.0 to223.255.255.255
224.0.0.0 to239.255.255.255
32 bits
Em Classes -“classfull” (endereçamento “clássico”):
Endereçamento IP
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• Endereçamento Classful:
• Uso ineficiente do espaço de endereçamento, exaustão de espaço
(p.ex., uma classe B aloca 65K hosts, mesmo que existam apenas 2K hosts)
• CIDR: Classless InterDomain Routing
• Divisão (do endereço) com comprimento arbitrário;
• Formato: A.B.C.D/X, em que X é o número de bits para identificação da
rede; 32-X será a correspondente ao interface.
11001000 00010111 00010000 00000000rede host
200.23.16.0/23
Endereçamento IP
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Hosts (parte de identificação do interface na rede):
• Hard-coded em ficheiro de sistema p/ administrador, ou
• DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)
Obter endereço dinamicamente (plug-and-play):
1. host faz broadcast da msg DHCP discover;
2. servidor DHCP responde c/ msg DHCP offer;
3. host pede endereço IP com msg DHCP request;
4. servidor DHCP envia endereço na msg DHCP ack.
Endereçamento IP: Definição
Network (parte de identificação da rede):
• Alocado via espaço de endereçamento do ISP.
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ISP: 11001000 00010111 00010000 00000000 - 200.23.16.0/20
Org. 0: 11001000 00010111 00010000 00000000 - 200.23.16.0/23
Org. 1: 11001000 00010111 00010010 00000000 - 200.23.18.0/23
Org. 2: 11001000 00010111 00010100 00000000 - 200.23.20.0/23
… … … …
Org. 7: 11001000 00010111 00011110 00000000 - 200.23.30.0/23
Endereçamento IP: Definição
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Endereçamento Hierárquico permite a Agregação de rotas
e anúncios eficientes de informação de routing.
“Qualquer endereçocomeçado por200.23.16.0/20”
200.23.16.0/23
200.23.18.0/23
200.23.30.0/23
ISP X
Organização 0
Organização 7Internet
Organização 1
ISPs-R-UsComeçado por199.31.0.0/16”
200.23.20.0/23Organizaçao 2
...
...
Endereçamento IP: CIDR
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>> ISPs-R-Us tem uma rota mais específica para a Organização 1.
200.23.16.0/23
200.23.18.0/23
200.23.30.0/23
ISP X
Organização 0
Organização 7Internet
Organização 1
ISPs-R-UsComeçado por199.31.0.0/16ou200.23.18.0/23
200.23.20.0/23Organização 2
...
...
“Qualquer endereçocomeçado por200.23.16.0/20”
Endereçamento IP: CIDR
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Como obter um bloco de endereços (ISPs)?
• A nível europeu: RIPE
(Reseaux IP Européenes).
• A nível mundial: ICANN
(Internet Corporation for Assigned Names & Numbers).
> Fazem alocação de endereços (IP, portas, protocolos, etc);
> Fazem gestão de DNS;
> Fazem atribuição de nomes de domínios;
> Resolvem disputas, etc.
Endereçamento IP