Data and Computer Network
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Data and Computer Network
Arquitectura de Redes
Prof. DoutorFélix Singo
FS2013
Data and Computer Network
Conceito de Arquitectura
• Os três os elementos fundamentais da arquitectura:
– A Firmitas: que se refere à estabilidade, ao carácter construtivo
da arquitectura,
– A Utilitas: que originalmente se refere à comodidade e ao longo
da história foi associada à função e ao utilitarismo e
– A Venustas: associada à beleza e à apreciação estética.
• Assim, uma construção passa a ser chamada de
arquitectura quando:
– além de ser firme e bem estruturada (firmitas),
– possuir uma função (utilitas) e
– for, principalmente, bela (venustas)
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… assim,
• Arquitectura de uma rede é o conjunto de elementos em
que ela se sustenta:
– tanto a nível de hardware como de software
• Uma Arquitectura de Rede é um modelo abstracto que
permite descrever a organização e o comportamento dos
sistemas que constituem a rede.
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ARQUITECTURAS MAIS DIFUNDIDAS
Internet/TCP IP ☻
OSI (Open System Interconection)☺
SNA (Systems Network Architecture) ☺
Novell NetWare ☺
Apple Talk ☺
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O Modelo de referência OSI"Open Systems Interconnection"
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Modelo de Referência .
• Objectivos:
– Criar uma base comum que permita a coordenação do
desenvolvimento de normas
– Criar uma referência comum para manter consistência
entre normas relacionadas
– Permitir a identificação de áreas de desenvolvimento e
melhoramento de normas
• Uma grande preocupação do modelo OSI é, sendo
relativamente geral, ser também flexível
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Modelo de Referência OSI
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Modelo de Referência OSI
Física
Sessão
Aplicação
Apresentação
Transporte
Rede
Enlace
• Camada 1
• Camada 2
• Camada 3
• Camada 4
• Camada 5
• Camada 6
• Camada 7
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Modelo OSI – Camada Física
Física
Sessão
Aplicação
Apresentação
Transporte
Rede
Enlace
• Transmissão de Bits
através de um canal de
comunicação
• Especifica as
características do meio
físico e da transmissão do
sinal.
•Conectores
•Pinagem
•Níveis de tensão
•Dimensão física
•Características mecânicas
•Características eléctricas
• Hub
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Modelo OSI – Camada de Enlace
Física
Sessão
Aplicação
Apresentação
Transporte
Rede
Enlace
• Agrupa Bits recebidos no
nível físico em frames (tramas)
• Detecta e corrige possíveis
erros ocorridos na
transmissão
•Endereça equipamentos na
rede (endereço MAC)
• Faz o controle da
utilização do meio de
comunicação
• protocolos usados: Frame
Relay, PPP, FDDI, ATM
• switch
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Modelo OSI – Camada de Rede
Física
Sessão
Aplicação
Apresentação
Transporte
Rede
Enlace
• É responsável pelo routing
de pacotes através da rede
• O roteamento é baseado
em um mecanismo de
endereçamento global – IP,
que identifica cada máquina
• Implementa mecanismos
de controle de
congestionamentos
• router
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Modelo OSI – Camada de Transporte
Física
Sessão
Aplicação
Apresentação
Transporte
Rede
Enlace
• Fornece comunicação fim
a fim confiável
• Segmentação e
remontagem de mensagens,
protocolos TCP e UDP
• Implementa mecanismos
de controle de fluxo fim a
fim
• Implementa controle e
recuperação de erro fim a
fim
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Modelo OSI – Camada de Sessão
Física
Sessão
Aplicação
Apresentação
Transporte
Rede
Enlace
• Estabelece e encerra os
enlaces de comunicação
• Prevê mecanismos de
controle de diálogo entre os
sistemas
• Implementa mecanismos
de recuperação de falhas em
caso de interrupção.
• alguns dos protocolos de
sessão: NFS (sun
microsysytems), SQL, RPC,
X Windows,AppleTalk ASP,
etc.
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Modelo OSI – Camada de Apresentação
Física
Sessão
Aplicação
Apresentação
Transporte
Rede
Enlace
• Compactação /
descompactação de dados
• Criptografia
• Converte os dados em um
formato de representação
universal.
•Alguns dos formatos
usados: ASCII, EBCDIC,
JPG, TIFF, MPEG, MIDI,
QuickTime, RFT, etc.
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Modelo OSI – Camada de Aplicação
Física
Sessão
Aplicação
Apresentação
Transporte
Rede
Enlace
• Funciona como uma
interface de ligação entre os
processos de comunicação
de rede e os aplicações
utilizadas pelo usuário.
• HTTP, SMTP, Telnet, POP
• FTP, etc
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Resumindo:
• O modelo OSI é uma arquitectura de comunicação
que serve de referência aos diferentes fabricantes para
que desenvolvam dispositivos e protocolos de rede
que possam operar entre si.
• O modelo descreve o modo como os dados devem ser
tratados, desde a sua geração ao nível aplicacional até
à sua transmissão ao nível físico.
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Resumindo:
• A divisão do processo de comunicação em camadas tem
diversas vantagens:
– Reduz a complexidade do processo de comunicação;
– Facilita o desenvolvimento de software e de dispositivos
hardware intervenientes no processo de comunicação;
– Permite o desenvolvimento modular do processo de
comunicação
– Permite a utilização de protocolos proprietários numa
determinada camada, ao mesmo tempo que utiliza protocolos
standards noutras camadas.
• OSI foi a primeira tentativa para garantir a interligação e
interoperabilidade entre diferentes dispositivos.FS2013
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Arquitectura SNA"Systems Network Architecture"
… e agora!
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Arquitectura SNA – Systems Network Architecture
• Desenvolvida pela IBM a partir do final dos anos
60.
• Apresentada em 1974
• Anterior ao modelo OSI
• Objectivo principal da arquitectura:
– Possibilitar a comunicação fiável e altamente
controlada entre sistemas terminais de utilizador e
computadores de grande porte (mainframes)
• Modelo baseado em sete camadas funcionais
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Camadas Funcionais da Arquitectura SNA
,
Controlo Físico
Controlo do Diálogo
Serviços de Transacção
Serviços de Apresentação
Controlo da Transmissão
Controlo de Caminhos
Controlo de Link de dados
• Interface com o meio físico de comunicação
• Transferência fiável entre nós adjacentes da rede
• Encaminhamento de mensagens através da rede
• Ligações externo-a-externo, com controlo de fluxo
• Controlo do diálogo entre utilizadores finais
• Formatação de dados
• Serviços básicos de aplicação: HTTP, SMTP, ..
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Arquitectura Novell
NetWare
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Arquitectura Novell NetWare
• Baseada na arquitectura XNS da Xerox.
• A mais popular arquitectura para redes locais
• Serviços oferecidos pela NetWare:
– Partilha de ficheiros
– Partilha de impressoras
– Segurança
– Gestão de redes e
– Gestão de users
• Protocolos mais importantes:
– IPX – Internet Packet Exchange
– SPX – Sequenced Packet Interchange
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Níveis protocolares da arquitectura Novell
NetWare
SAP
(Service Advertsing Protocol)
Programas de Aplicação
File Serving
NCP
(Netware Core Protocols)
SPX
(Sequenced Packet Interchange)
IPX (Internet Packet Exchange)
ODI (Open Data-Link Interface)
Hardware de Interface com a Rede
Aplicação
Apresentação
Sessão
Transporte
Rede
Ligação de Dados
Fisico
NetWare OSI
• O IPX é um protocolo de Rede
• Os endereços IPX são constituídos por uma parte que identifica a rede, com 32 bits e
• Uma parte que identifica a máquina, com 48 bits
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Arquitectura Apple Talk
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Apple Talk - Características
• Limitada ao ambiente Apple
• Integrado no sistema operativo Macintosh
• Facilidade de utilização
Apresentação AFP Postscript
Sessão
Transporte
Rede
Ligação
Físico
DSP ZIP ASP PAP
RTMP Ecno P ATP NBP
Datagram Delivery Protocol - DDP
TokenTalk Ether Talk ALAP
Token Ring Ethernet LocalTalk
Arquitectura protocolar Apple Talk
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Arquitectura TCP/IP
… e agora!
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Resumo
Física
Sessão
Aplicação
Apresentação
Transporte
Rede
Enlace
100111001101
FF-D8-9ACC-FA-1EFrames
Bits
192.168.0.10
192.168.0.10
Pacotes
Segmentos
Dados
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Historial
• A arquitectura TCP/IP surgiu com a criação de uma rede
patrocinada pelo departamento de defesa do governo dos
USA.
• A sua tarefa era manter os órgãos do governo e
universidades em comunicação contra catástrofes que
afectassem aquele país;
• Dessa necessidade surgiu a ARPANET, uma rede que
permaneceria intacta caso um dos servidores perdesse
ligação;
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• A ARPANET necessitava então de um modelo de protocolos que
assegurasse tal funcionalidade esperada, mostrando-se confiável,
flexível e de fácil implementação.
• É então desenvolvida a arquitectura TCP/IP, que se torna um
padrão;
• A ARPANET cresceu e tornou-se a rede mundial de
computadores – Internet;
• A normalização do TCP/IP chegou após a sua utilização em massa;
• A Internet está directamente relacionada à arquitectura TCP/IP.
Historial
FS2013
Data and Computer Network
• O TCP/IP é um conjunto de protocolos no qual os mais conhecidos
dão o nome a esse conjunto:
– TCP (Transmission Control Protocol) e o
– IP (Internet Protocol);
• A arquitectura do TCP/IP é desenvolvida em 4 camadas que são:
– Aplicação (Application Layer),
– Transporte (Transport Layer),
– Comunicação/Internet (Internet Layer) e
– Interface de rede (Network Layer).
Arquitectura TCP/IP
FS2013
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Arquitectura TCP/IP
Comunicação
Aplicação
Transporte
Acesso à Rede
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Modelo TCP/IP – Camada de Rede
( Network Layer)
Acesso à Rede
Aplicação
Transporte
Comunicação
Nivel mais baixo da Arquitectura
Lida com aspectos da tecnologia
subjacente: estrutura dos quadros/tramas
Endereçamento físico,
Acesso ao meio físico.
Hardware de interface com a rede:
Placa ethernet, Porto série, placa FDDI,
ATM, modem.
Funções:
Encapsulamento de pacotes IP em
Frames. Tradução de endereços IP em
endereços ethernet.
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Modelo TCP/IP – Camada de Comunicação
( Internet Layer)
Rede
Aplicação
Transporte
Comunicação
Também chamado nível de Internet. Aqui
se situa o protocolo IP.
Funções:
Circulação dos pacotes na rede
(datagramas) e fragmentação e
reassamblagem de pacotes
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Modelo TCP/IP – Camada de Transporte
( Transport Layer)
Rede
Aplicação
Transporte
ComunicaçãoÉ um nível de comunicação
extremo-a-extremo (host-to-
host).
UDP e TCP são os protocolos
mais importantes
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Modelo TCP/IP – Camada de Aplicação
( Application Layer)
Rede
Transporte
Comunicação
AplicaçãoDefine o conjunto de aplicações que vão gerar a
informação que eventualmente poderá vir a ser
enviada através da rede.
Oferece serviços que interessam directamente
aos users e a processos de aplicação.
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Posicionamento dos Protocolos da
Arquitectura TCP/IP
Aplicação
Ping Telnet FTP SMTP Trace route DNS SNMP NFS
TCP UDP
Transporte
IP
ICMP IGRPInternet
Acesso à Rede
Ethernet Token Ring
Meio físico
DHCP
ARP RARP EIGRP OSPF
FastEthernet GigabitEthernet
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• SMTP – simple Mail Transfer Protocol
• POP3 – Post Office Protocol version 3
• IMAP – Internet Message Access Protocol
• FTP – File Transfer Protocol
• TFTP – Trivial File Transfer Protocol
• Telnet – Emulação de terminais
• SNMP – Simple Network Management Protocol (gestão da rede)
• NFS – Network File System (partilha de ficheiros)
• DNS – Domain Name System (resolução de nomes em endereços IP)
• DHCP – Dynamic Hostly Configuration Protocol
• ICMP – Protocolo de Mensagens de Controlo de Rede
• PING – Verificação da conectividade (echo request & echo reply)
• ARP – Address Resolution Protocol – Protocolo de Resolução de Endereço Lógico
• RARP – Reverso – Protocolo de Resolução de Endereço Físico
• IGRP - Interior Gateway Routing Protocol - Protocolo Interior Do Roteamento Da Passagem
• EIGRP - Enhanced Interior Gateway Routing Protocol
• OSPF - Open Shortest Path First - (menor rota primeiro)
• RIP - Routing Information ProtocolFS2013
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Camadas do TCP/IP - Resumo
• Aplicação:– Camada mais alta
– Protocolos de aplicação cliente servidor• HTTP, FTP, POP, SMTP
• Transporte:– Estabelece comunicação end to end
• Com garantia de entrega – TCP
• Sem garantia de entrega – UDP
• Internet:– Endereçamento e Roteamento de Pacotes – IP
– Envio de Mensagens de Controle – ICMP
– Resolução de endereços de Hardware - ARP
• Rede:– Camada mais baixa de acesso ao meio físico
• Ethernet, ATM, Token Ring, Frame Relay
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Modelo OSI vs Arquitectura TCP/IP
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REDES ETHERNET (éter)
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Padrão de Redes
• Conjunto de regras que define:
– Meio físico de transmissão
– Como os computadores acedem ao meio físico
de transmissão
– Formato dos pacotes que nele viajam
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• Ethernet
• Token-Ring
• FDDI, etc…
• CamelCase
• ISDN
• Frame Relay
• ATM
• X.25
Padrão de Redes
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Padrão Ethernet
• Primeira rede Ethernet em 1973 pela Xerox Palo Alto
Research Center [Metcalfe]
• É uma tecnologia de área local
• Definido pela norma 802.3 da IEEE (Institute of Electrical
and Electronics Engineers)
• Pode-se utilizar de cabo coaxial, cabo de par trançado, e
até mesmo nenhum como nas tecnologias de rede sem fio.
• É uma rede de Pacotes.
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Padrão Ethernet
• Ethernet é baseada na ideia de pontos da rede enviando mensagens,
semelhante a um sistema de rádio
• Chamado ondas de éter (no original, ether)
• Cada ponto tem uma chave de 48 bits globalmente única, conhecida
como endereço MAC.
• Para o melhor compartilhamento do canal, a Ethernet usa-se do
Protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision
Detection)
Na prática, funciona como um jantar onde os convidados usam um meio comum (o ar) para
falar com um outro. Antes de falar, cada convidado educadamente espera que outro
convidado termine de falar. Se dois convidados começam a falar ao mesmo tempo, ambos
param e esperam um pouco, um pequeno período.
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Taxonomia das Redes de Telecomunicações
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Pacotes
• Todos os dados transmitidos através da rede, são divididos em pacotes.
• Em redes Ethernet, cada pacote pode ter até 1550 bytes de dados.
• A estação emissora escuta o cabo, transmite um pacote, escuta o cabo novamente, transmite outro pacote e assim por diante.
• A estação receptora por sua vez, vai juntando os pacotes até ter o arquivo completo
• O uso de pacotes evita que uma única estação monopolize a rede por muito tempo, e torna mais fácil a correção de erros
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Arquitectura Ethernet
Acesso à Rede
Aplicação
Transporte
Comunicação
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TCP / IP
EthernetInterface com a Rede
Cabo
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Pacotes Ethernet
• Os pacotes Ethernet são divididos em 7 partes:
•O preâmbulo serve para coordenar o envio dos demais dados dopacote, servindo como um sinal de sincronismo.
• O byte de início avisa as estações recebedoras que a transmissãoirá começar (até aqui todas as estações da rede estão lendo opacote).
• O endereço de destino indica a qual estação o pacote estáendereçado. Apenas a placa de rede que possuir o endereçoindicado irá ler o restante do pacote, as demais ignorarão orestante da transmissão.
• O endereço de origem indica qual estação está enviando osdados.
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Pacotes Ethernet
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serve para
coordenar o
envio dos
demais dados do
pacote, servindo
como um sinal
de sincronismo
avisa as estações
recebedoras que a
transmissão irá
começar (até aqui
todas as estações
da rede estão lendo
o pacote)
Indica a qual estação o
pacote está endereçado.
ote está endereçado
indica qual estação
está enviando os
dados.
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VORSICHTIG!
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… mas o que é um Protocolo?
• Um Protocolo é um conjunto de regras semânticas e sintácticas que regulam o comportamento das unidades funcionais durante a comunicação.
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Camada de Aplicação
• Corresponde às camadas 5, 6 e 7 do modelo OSI e faz a
comunicação entre os aplicativos e o protocolo de transporte.
Entre os principais protocolos que operam nesta camada
destacam-se o HTTP (Hyper Text Transfer Protocol), SMTP
(Simple Mail Transfer Protocol), FTP (File Transfer Protocol)
e o Telnet.
• A camada de aplicação comunica-se com a camada de
transporte através de uma porta. As portas são numeradas e as
aplicações padrão usam sempre uma mesma porta.
Camadas da Arquitectura TCP/IP
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• Por exemplo, o protocolo SMTP utiliza sempre a porta 25, o HTTP
a porta 80 e o FTP as portas 20 (para transmissão de dados) e 21
(para transmissão de informações de controle). Através das portas é
possível saber para qual protocolo vai estar sendo enviados os
dados para uma determinada aplicação.
• Protocolos de Aplicação
• Existem vários tipos de protocolos de aplicação, mas os mais
utilizados e mais comuns são:
• DNS (Domain Name System): Usado para identificar máquinas
através de nomes em vez de IP.
Camada de Aplicação
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• Telnet: Usado para comunicar-se remotamente com uma máquina.
• FTP (File Transport Protocol): Usado na transferência de
arquivos.
• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Usado no envio e
recebimento de e-mails.
• HTTP (Hyper Text Transfer Protocol): Usado na transferência
de documentos hipermídia (WWW).
Camada de Aplicação
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• É a camada que equivale à camada de transporte do modelo
OSI. Esta camada é responsável por pegar os dados enviados
pela camada de aplicação e transformá-los em pacotes, a serem
repassados para a camada de Internet. Ela utiliza uma forma de
multiplexação, onde é possível transmitir simultaneamente
dados de diferentes aplicações.
• Nesta camada operam dois protocolos: o TCP (Transmission
Control Protocol) e o UDP (User Datagrama Protocol). Ao
contrário do TCP, este segundo protocolo não verifica se o
dado chegou ao seu destino, já o TCP para todo pacote
enviado sempre há uma confirmação se este chegou ou não.
Camada de Transporte
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TCP (Transmission Control Protocol)
• O protocolo IP, da camada de rede, envia dados para rede sem
apreocupação de verificar a chegada dos respectivos
datagramas. Os protocolos da camada acima, ou transporte,
especificamente TCP definem a maneira para tratar datagramas
perdidos ou corrompidos.
• Alem disto, TCP é responsável pela segurança na
transmissão/chegada dos dados ao destino e também define todo
o processo de inicio de conexão e multiplexação de múltiplos
protocolos da camada de aplicação numa única conexão,
optimizando assim a conexão múltipla de aplicações com o
mesmo destino.
Camada de Transporte
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User datagram protocol – UDP
• Existem situações em que o dispositivo origem não precisa da
garantia de chegada dos dados no dispositivo destino, como
exemplo podemos citar alguns tipos de Videoconferência.
• Nestes casos, o TCP é substituído pelo UDP. Na realidade o
protocolo UDP empacota os dados e os envia para a camada
inferior (rede 3) para que o protocolo IP de prosseguimento ao
envio dos dados. Estes pacotes, segmentos, apesar de serem
numerados antes de serem enviados, não sofrem
nenhumaverificação de chegada ao destino.
Camada de Transporte
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• É a camada correspondente no modelo OSI a camada de redes.
Existem vários protocolos que podem operar nesta camada: IP
(Internet Protocol), ICMP (Internet Control Message
Protocol), ARP (Address Resolution Protocol).
• IP (Internet Protocol)
• Este protocolo, usando a parte rede do endereço ou
identificador de rede, pode definir a melhor rota através de
uma tabela de roteamento mantida e actualizada pelos routers.
• Este protocolo recebe os dados da camada superior
(transporte) na forma de segmentos.
Camada de Internet
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• Ocorre então o processo de fragmentação e os conjuntos de
dados passam a se chamar datagramas. Estes datagramas são
então codificados para envio a camada inferior (física) para
encaminhamento no meio físico.
• Na transmissão de um dado de programa, o pacote de dados
recebido da camada TCP é dividido em pacotes chamados
datagramas, que são enviados para a camada de interface com
a rede, onde são transmitidos pelo cabeanento da rede através
de quadros.
Camada de Internet
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Camada de Internet(cont.)
• Essa camada é responsável pelo roteamento de pacotes, isto é,
adiciona ao datagrama informações sobre o caminho que ele
deverá percorrer. Este roteamento é executado através do IP.
4. Camada de Rede
• Corresponde às camadas 1 e 2 do modelo OSI, é responsável
por enviar o datagrama recebido pela camada de Internet em
forma de quadro através da rede.
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Modelo OSI vs Arquitectura TCP/IP
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Portos & sua Utilização
Portos Descrição
0 Nº que se utiliza quando se pretende que o sistema atribua o porto
(entre 1024 e 5000)
1 – 1023 Portos reservados aos processos privilegiados
1 – 255 Portos bem conhecidos. Identificam serviços gerais; telnet, ftp, http,
smtp, etc.
256 – 511 Reservados (não utilizados)
512 – 1023 Portos atribuidos pela chamada do sistema
1024 - 65535 Portos não privilegiados, de utilização por qualquer user
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