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TCP/IP

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TCP/IP

O modelo TCP/IP - como muitos outros modelos de protocolos - pode ser visto como um grupo de camadas, em que cada uma resolve um grupo de problemas da transmissão de dados, fornecendo um serviço bem definido para os protocolos da camada superior. Estas camadas mais altas estão logicamente mais perto do usuário (camada de aplicação), lidam com dados mais abstratos e confiam nos protocolos das camadas mais baixas para traduzir dados em um formato que pode eventualmente ser transmitido fisicamente.

Protocolos para internet

Os protocolos para internet formam o grupo de protocolo de comunicação que implementam a pilha de protocolos sobre a qual a internet e a maioria das redes comerciais funciona. Eles são algumas vezes chamados de "protocolos TCP/IP", já que os dois protocolos mais importantes desse modelo são: o protocolo TCP -Transmission Control Protocol (Protocolo de Controle de Transmissão) - e o IP - Internet Protocol (Protocolo Internet). Esses dois protocolos foram os primeiros a serem definidos.

O modelo OSI descreve um grupo fixo de sete camadas que alguns fornecedores preferem e que pode ser comparado a grosso modo com o modelo TCP/IP. Essa comparação pode causar confusão ou trazer detalhes mais internos para o TCP/IP.


Camadas da pilha dos protocolos internet

O modelo TCP/IP de encapsulamento busca fornecer abstração aos protocolos e serviços para diferentes camadas de uma pilha de estrutura de dados (ou simplesmente pilha).

Uma pilha consiste de quatro camadas:
 
Aplicação (camadas OSI 5 até 7) e.g. HTTP, FTP, DNS(protocolos de routing como BGP e RIP, que por uma variedade de razões roda sobre TCP e UDP respectivamente, podem também ser considerados parte da camada de rede) 
3Transporte(camadas OSI 4 e 5)e.g. TCP, UDP, RTP, SCTP(protocolos como OSPF, que roda sobre IP, pode também ser considerado parte da camada de rede)
2Rede(camada OSI 3)Para TCP/IP o protocolo é IP(protocolos requeridos como ICMP e IGMP rodam sobre IP, mas podem ainda ser considerados parte da camada de rede; ARP não roda sobre IP)
1Física(camadas OSI 1 e 2)e.g. Ethernet, Wi-Fi, MPLS etc. 
 

As camadas mais próximas do topo estão logicamente mais perto do usuário, enquanto aquelas mais abaixo estão logicamente mais perto da transmissão física do dado. Cada camada tem um protocolo de camada acima e um protocolo de camada abaixo (exceto as camadas da ponta, obviamente) que podem usar serviços de camadas anteriores ou fornecer um serviço, respectivamente.


Enxergar as camadas como fornecedores ou consumidores de serviço é um método de abstração para isolar protocolos de camadas acima dos pequenos detalhes de transmitir bits através, digamos, de ethernet, e a detecção de colisão enquanto as camadas abaixo evitam ter de conhecer os detalhes de todas as aplicações e seus protocolos.

Essa abstração também permite que camadas de cima forneçam serviços que as camadas de baixo não podem fornecer. Por exemplo, o IP é projetado para não ser confiável e é um protocolo best effort delivery. Isso significa que toda a camada de transporte deve indicar se irá ou não fornecer confiabilidade e em qual nível. O UDP fornece integridade de dados (via um checksum) mas não fornece entrega garantida; já o TCP fornece tanto integridade dos dados quanto garantia de entrega (retransmitindo até que o destinatário receba o pacote).


Comparação com o modelo OSI

Existe alguma discussão sobre como mapear o modelo TCP/IP dentro do modelo OSI. Uma vez que os modelos TCP/IP e OSI não combinam exatamente, não existe uma resposta correta para esta questão.

Além do mais, o modelo OSI não é realmente rico o suficiente nas camadas mais baixas para capturar a verdadeira divisão de camadas; é necessário uma camada extra (a camada internet) entre as camadas de transporte e de rede. Protocolos específicos para um tipo de rede que rodam em cima de estrutura de hardware básica precisam estar na camada de rede. Exemplos desse tipo de protocolo são ARP e o Spanning Tree Protocol (usado para manter pontes de rede redundantes em "espera" enquanto elas são necessárias). Entretanto, eles são protocolos locais e operam debaixo da funcionalidade internet. Reconhecidamente, colocar ambos os grupos (sem mencionar protocolos que são logicamente parte da camada internet, mas rodam em cima de um protocolo internet, como ICMP) na mesma camada pode ser um tanto confuso, mas o modelo OSI não é complexo o suficiente para apresentar algo melhor.

Geralmente, as três camadas mais acima do modelo OSI (aplicação, apresentação e sessão) são consideradas como uma única camada (aplicação) no modelo TCP/IP. Isso porque o TCP/IP tem uma camada de sessão relativamente leve, consistindo de abrir e fechar conexões sobre TCP e RTP e fornecer diferentes números de portas para diferentes aplicações sobre TCP e UDP. Se necessário, essas funções podem ser aumentadas por aplicações individuais (ou bibliotecas usadas por essas aplicações). Similarmente, IP é projetado em volta da idéia de tratar a rede abaixo dele como uma caixa preta de forma que ela possa ser considerada como uma única camada para os propósitos de discussão sobre TCP/IP.


As camadas

O que segue é uma descrição de cada camada na pilha da suíte IP.


A camada de enlace

A camada de enlace não é realmente parte do modelo TCP/IP, mas é o método usado para passar pacotes da camada de rede de um dispositivo para a camada de internet de outro. Esse processo pode ser controlado tanto em software (device driver) para a placa de rede quanto em firmware ou chipset especializados. Esses irão executar as funções da camada de enlace de dados como adicionar um header de pacote para prepará-lo para transmissão, então de fato transmitir o quadro através da camada física. Do outro lado, a camada de enlace irá receber quadros de dados, retirar os headers adicionados e encaminhar os pacotes recebidos para a camada de internet. Essa camada é a primeira normatizada do modelo, é responsavel pelo enderecamento, roteamento e controle de envio e recepção.Ela não é orientada á conexão, se comunica pelos datagramas (pacotes de dados).

Entretanto, a camada de enlace não é sempre tão simples. Ela pode também ser um VPN (Virtual Private Network, Rede Privada Virtual) ou túnel, onde pacotes da camada de internet, ao invés de serem enviados através de uma interface física, são enviados usando um protocolo de tunneling e outra (ou a mesma) suíte de protocolos. O VPN ou túnel é usualmente estabelecido além do tempo, e tem características especiais que a transmissão direta por interface física não possui (por exemplo, ele pode encriptar os dados que passam através dele). Esse uso recursivo de suíte de protocolos pode ser confuso uma vez que a "camada" de enlace é agora uma rede inteira. Mas é um método elegante para implementar funções freqüentemente complexas. Embora seja necessário muito cuidado para prevenir que um pacote já empacotado e enviado através de um túnel seja mais uma vez empacotado e reenviado pelo mesmo.


A camada de rede

Como definido anteriormente, a camada de rede resolve o problema de obter pacotes através de uma rede simples. Exemplos de protocolos são o X.25 e o Host/IMPda ARPANET.

Com o advento da internet novas funcionalidades foram adicionadas nesta camada, especialmente para a obtenção de dados da rede de origem e da rede de destino. Isso geralmente envolve rotear o pacote através de redes distintas que se relacionam através da internet.

Na suíte de protocolos para a internet, o IP executa a tarefa básica de levar pacotes de dados da origem para o destino. O protocolo IP pode transmitir dados para diferentes protocolos de níveis mais altos, esses protocolos são identificados por um único número de protocolo IP.

Alguns dos protocolos transmitidos por IP, como o ICMP (usado para transmitir informação de diagnóstico sobre a transmissão IP) e o IGMP (usado para gerenciar dados multicast) são colocados acima do IP mas executam funções da camada internet. Isso ilustra uma incompatibilidade entre os modelos da internet e OSI. Todos os protocolos de routing, como o BGP, o OSPF e o RIP são também parte da camada de internet, muito embora eles possam ser vistos como pertencentes à camadas mais altas na pilha.


A camada de transporte

Os protocolos na camada de transporte podem resolver problemas como confiabilidade (o dado alcançou seu destino?) e integridade (os dados chegaram na ordem correta?). Na suíte de protocolos TCP/IP os protocolos de transporte também determinam para qual aplicação um dado qualquer é destinado.

Os protocolos dinâmicos de routing, que tecnicamente cabem nessa camada do TCP/IP, são geralmente considerados parte da camada de rede. Como exemplo tem-se o OSPF (protocolo IP número 89).

O TCP, número 6 do protocolo IP, é um mecanismo de transporte "confiável", orientado à conexão e que fornece um stream de bytes confiável, garantindo assim que os dados cheguem íntegros (não danificados e em ordem). O TCP tenta continuamente medir o quão carregada a rede está e desacelera sua taxa de envio para evitar sobrecarga. Além disso, o TCP irá tentar entregar todos os dados corretamente na seqüência especificada. Essas são as principais diferenças dele para com o UDP, e pode se tornar desvantajoso em streaming, em tempo real ou aplicações de routing com altas taxas de perda na camada internet.

Mais recentemente criou-se o SCTP (Stream Control Transmission Protocol, Protocolo de Transmissão de Controle de Stream), que também consiste em um mecanismo de transporte "confiável". Ele provê suporte a multihoming, onde o final de uma conexão pode ser representada por múltiplos endereços IP (representando múltiplas interfaces físicas), de maneira que, se algum falhar, a conexão não é interrompida. Ele foi desenvolvido inicialmente para transportar SS7 sobre IP em redes telefônicas, mas também pode ser usado para outras aplicações.

O UDP (User Datagram Protocol), número 17 do protocolo IP, é um protocolo de datagrama sem conexão. Ele é um protocolo de "melhor esforço" ou "não confiável". Não porque ele é particularmente não confiável, mas porque ele não verifica se os pacotes alcançaram seu destino, e não dá qualquer garantia que eles irão chegar na ordem. Se uma aplicação requer estas características, então ela mesma terá que provê-las ou usar o protocolo TCP.

O UDP é tipicamente usado por aplicações como as de mídia de streaming (áudio, vídeo etc), onde a chegada na hora é mais importante do que confiabilidade, ou para aplicações de simples requisição/resposta como pesquisas de DNS, onde o overhead de configurar uma conexão confiável é desproporcionalmente largo.

O DCCP está atualmente em desenvolvimento pelo IETF. Ele provê controle de fluxo das semânticas do TCP, enquanto mantém o modelo de serviço de datagramas do UDP visível para o usuário.

Tanto o TCP quanto o UDP são usados para transmitir um número de aplicações de alto nível. As aplicações em qualquer endereço de rede são distingüidas por seus endereços de porta TCP ou UDP. Por convenção, certas portas "bem conhecidas" estão associadas com aplicações específicas.


A camada de aplicação

A camada de aplicação é a camada que a maioria dos programas de rede usam de forma a se comunicarem através de uma rede com outros programas. Processos que rodam nessa camada são específicos da aplicação; o dado é passado do programa de rede, no formato usado internamente por essa aplicação, e é codificado dentro do padrão de um protocolo.

Alguns programas específicos são levados em conta nessa camada. Eles provêm serviços que suportam diretamente aplicações do usuário. Esses programas e seus correspondentes protocolos incluem o HTTP (navegação na Word Wide Web), FTP (transporte de arquivos), SMTP (envio de email), SSH (login remoto seguro),DNS (pesquisas nome <-> IP) e muitos outros.

Uma vez que o dado de uma aplicação foi codificados dentro de um padrão de um protocolo da camada de aplicação ele será passado para a próxima camada da pilha IP.

Na camada de transporte, aplicações irão em sua maioria fazer uso de TCP ou UDP, e aplicações servidoras são freqüentemente associadas com um número de porta. Portas para aplicações servidores são oficialmente alocadas pela IANA (Internet Assigned Numbers Authority) mas desenvolvedores de novos protocolos hoje em dia freqüentemente escolhem os números de portas por eles mesmos. Uma vez que é raro ter mais que alguns poucos programas servidores no mesmo sistema, problemas com conflito de portas são raros. Aplicações também geralmente permitem que o usuário especifique números de portas arbitrários através de parâmetros em tempo de execução.

Aplicações cliente conectando para fora geralmente usam um número de porta randômico determinado pelo sistemas operacional.


Implementações

Hoje, a maioria dos sistemas operacionais comerciais incluem e instalam a pilha TCP/IP por padrão. Para a maioria dos usuários, não há nenhuma necessidade de procurar por implementações. O TCP/IP é incluído em todas as versões comerciais do Unix e Linux, assim como no Mac OS X, Microsoft Windows e Windows Server.