Arquitetura de Redes TCP/IP

O TCP/IP é um conjunto de protocolos de comunicação entre computadores em rede (também chamado de Pilha de Protocolos TCP/IP). Seu nome vem de dois principais protocolos utilizados: o TCP (Transmission Control Protocol – Protocolo de Controle de Transmissão) e o IP (Internet Protocol – Protocolo de Interconexão).

Para que seja possível entender melhor este artigo, é de extrema importância que tenha lido o artigo sobre o Modelo de Referência da Camada OSI (veja aqui), ou no mínimo conhecer o Modelo OSI de 7 camadas.

O protocolo IP é o protocolo mais popular e utilizado em redes do mundo todo (LOPEZ, 2016).

O TCP, localiza-se na camada de transmissão do modelo OSI e, por ser um protocolo orientado a conexão, provê uma conexão segura para a troca de dados entre hosts diferentes. Com esse protocolo, todos os pacotes são sequenciados e identificados e, um circuito virtual é estabelecido para comunicações (LEWIS, 1999).

O IP é um protocolo de conectividade que provê um serviço de pacotes de dados (datagramas) entre hosts. É responsável pelo endereçamento dos pacotes, pacotes de roteamento, fragmentação e reunião, movendo dados entre as camadas de transporte e rede do modelo OSI. Este protocolo não garante a entrega dos pacotes em uma rede. Localizado na camada de Rede do modelo OSI, o protocolo IP confia em outros protocolos providos de camadas superiores do modelo OSI para prover serviços orientados à conexão se necessário. O cabeçalho de um pacote IP é composto por muitos campos de controle, entre os mais importantes estão os campos de endereço da fonte, endereço de destino e tempo de vida do pacote (LEWIS, 1999).

O conjunto de protocolos pode ser visto como um modelo de camadas, onde cada camada é responsável por um grupo de tarefas, fornecendo um conjunto de serviços bem definidos para o protocolo da camada superior. As camadas mais altas estão logicamente mais perto do usuário (chamada camada de aplicação) e lidam com dados mais abstratos, confiando em protocolos de camadas mais baixas para tarefas de menor nível de abstração.

Surgiu por volta de 1960, desenvolvido pelo Departamento de Defesa Americano, com o intuito de preservar a integridade dos dados, sem que os mesmos fossem interceptados por inimigos (principalmente em épocas de guerra) (FILIPPETTI, 2002).

Conforme DIOGENES (2004), os principais objetivos da criação do Protocolo TCP/IP foram:

• Obter um protocolo que fosse compatível com todos os tipos de redes;
• Que fosse interoperável entre todos os fabricantes;
• Possuísse uma comunicação robusta (confiável e com baixo índice de falhas), escalonável (passível de ser colocada em níveis ou etapas) e que suportasse o crescimento das redes de uma forma segura e confiável;
• E que fosse dinâmico e de fácil configuração.

No inicio, a utilização do TCP/IP era restrita apenas para fins militares, porém, com o passar do tempo, o TCP/IP passou a ser utilizando em grande escala pelo domínio público, o que permitiu aos fabricantes de softwares viabilizarem o suporte ao TCP/IP em todos os principais sistemas operacionais, seja qual for à arquitetura computacional utilizada (PC, mainframes, celulares, etc.) (MORIMOTO, 2011).

Segundo MORIMOTO ( 2011), qualquer sistema com um mínimo de poder de processamento, pode conectar-se à Internet, desde que alguém crie para ele um protocolo compatível com o TCP/IP e aplicativos WWW, correio eletrônico etc.

Camadas do Modelo TCP/IP

A arquitetura TCP/IP assim como a OSI, possui suas funções divididas em camadas, com a diferença na quantidade, enquanto o Modelo OSI possui 7 camadas, o Modelo TCP/IP possui apenas 4 camadas. Na imagem abaixo é possível comparar as Camadas entre os dois modelos.

Fonte da Imagem: Própria

• Camada de Aplicação (Application Layer)
• Camada de Transporte (Transport Layer)
• Camada de Internet (Internet Layer)
• Camada Host/Rede ou Acesso à Rede (Network Access Layer ou Link Layer)

Principais Funções de Cada Camada

As camadas mais altas, estão logicamente mais perto do usuário (chamada camada de aplicação) e lidam com dados mais abstratos, confiando em protocolos de camadas mais baixas para tarefas de menor nível de abstração.

Como já é percebido esta Arquitetura é semelhante ao Modelo OSI e, como tal, possui suas funções divididas em camadas segmentando assim passo-a-passo cada etapa da comunicação.

• Camada de Aplicação (Application Layer)
  • Esta camada é a camada que convivemos diariamente quando lidamos com redes. E através dela que fazemos nossas requisições para executarmos determinadas tarefas em nossa rede. Lidamos com ela através de softwares que utilizam protocolos da Camada de Aplicação para executar as tarefas que solicitamos.
  • Contém todos os protocolos de auto nível:
    • TELNET (Terminal Virtual);
    • FTP (File Transfer Protocol);
    • SMTP (Send Mail Transfer Protocol);
    • DNS (Domain Name System);
    • HTTP (Hipertex Transfer Protocol)…

É responsável pela interação junto ao usuário, reunindo e fornecendo serviços de comunicação, os quais são separados entre protocolo de serviços básicos e protocolos de serviços para o usuário (LOPEZ, 2016).

Aplicações TCP/IP tratam os níveis superiores de forma monolítica, desta forma o Modelo OSI é mais eficiente, pois permite reaproveitar funções comuns a diversos tipos de aplicações. Em TCP/IP, cada aplicação tem que implementar suas necessidades de forma completa (COMER, 1999).

• Camada de Transporte (Transport Layer)
  • É equivalente a Camada de Transporte do Modelo OSI.
  • Os protocolos nesta camada podem resolver problemas como:
    • Confiabilidade: o dado alcançou seu destino?
    • Integridade: os dados chegaram na ordem correta?
  • Como forma de garantir que dois hosts se comuniquem (conversação), foram definidos 2 protocolos nesta camada. O UDP e o TCP.
    • UDP: O protocolo UDP (User Datagram Protocol) é usado em uma entrega de pacotes de forma não confiável, pois ele não garante que os pacotes cheguem ou cheguem sem erros, definindo que o protocolo UDP é um protocolo não orientado a conexão, por essas características citadas acima.
    • TCP: O protocolo TCP (Transmission Control Protocol) é usado na entrega de pacotes de forma confiável. Como seu próprio nome diz é usado no controle de transmissão garantindo que o pacote chegue ao seu destino, e garantido que o mesmo esteja livre de erros. Essas características definem o protocolo como um protocolo orientado a conexão.

Para que a comunicação entre a origem e destino possua maior confiabilidade, o protocolo TCP realiza diversas funções como: o controle de fluxo, o controle de erro, a sequenciação e a multiplexação de mensagens (LOPEZ, 2016).

• Camada de Internet (Internet Layer)
  • É equivalente a Camada de Rede do Modelo OSI.
  • Também conhecida pelo nome de Inter-Redes.
  • É responsável por permitir que hosts enviem pacotes à qualquer rede e garantam que os mesmos trafeguem até o seu destino.
  • Não importa a ordem.
  • Define o formato de pacote oficial e um protocolo chamado IP (Internet Protocol).
  • Basicamente sua função, é entregar pacotes IP.
  • Protocolos: IP, ARP, ICMP

No caso de existir endereçamento nos níveis inferiores é realizado um mapeamento para possibilitar a conversão de um endereço IP em um endereço deste nível. Todos os protocolos das camadas superiores a esta fazem uso do protocolo IP (LOPEZ, 2016).

• Camada de Acesso à Rede (Link Layer)
  • Corresponde às camadas de Enlace e Física do Modelo OSI.
  • A Pilha (ou Arquitetura) TCP/IP, não especifica o que ocorre exatamente nessa camada, a única exigência é que o host se conecte a rede usando algum protocolo capaz de enviar pacotes IP.
  • Protocolo não é definido, e varia de rede para rede e de host para host.

Proveem meios para que os dados sejam transmitidos a outros computadores na mesma rede física e, é responsável pelo envio de datagramas construídos pela camada de Rede (Maurício F. Magalhães)

Benefícios do Modelo TCP/IP

• Padronização: um padrão, um protocolo roteável que é o mais completo e aceito protocolo disponível atualmente. Todos os sistemas operacionais modernos oferecem suporte para o TCP/IP e a maioria das grandes redes se baseia em TCP/IP para a maior parte de seu tráfego.
• Interconectividade: uma tecnologia para conectar sistemas não similares. Muitos utilitários padrões de conectividade estão disponíveis para acessar e transferir dados entre esses sistemas não similares, incluindo FTP (File Transfer Protocol) e Telnet (Terminal Emulation Protocol).
• Roteamento: permite e habilita as tecnologias mais antigas e as novas a se conectarem à Internet. Trabalha com protocolos de linha como PPP (Point to Point Protocol) permitindo conexão remota a partir de linha discada ou dedicada. Trabalha como os mecanismos IPCs e interfaces mais utilizados pelos sistemas operacionais, como Windows sockets e NetBIOS.
• Protocolo Robusto: escalável, multiplataforma, com estrutura para ser utilizada em sistemas operacionais cliente/servidor, permitindo a utilização de aplicações desse porte entre dois pontos distantes.
• Internet: é através da suíte de protocolos TCP/IP que obtemos acesso a Internet. As redes locais distribuem servidores de acesso a Internet (proxy servers) e os hosts locais se conectam a estes servidores para obter o acesso a Internet. Este acesso só pode ser conseguido se os computadores estiverem configurados para utilizar TCP/IP.

Pilhas de Protocolos da Internet

A internet utiliza uma pilha de protocolos mista, ou seja, ela é resultado da mistura das duas pilhas de protocolos (OSI e TCP/IP). O resultado desta mistura, gerou um Modelo de abstração em 5 camadas, conforme indicado abaixo:

Modelo OSI + Modelo TCP/IP = Pilhas de Protocolos da Internet

Fonte da Imagem: Própria

• Camada de Aplicação
  • Suporta as aplicações da rede.
    • Ex.: FTP, SMTP, HTTP…
• Camada de Transporte
  • Transferência de dados, sistema final a sistema final. Ex.: TCP e UDP
• Camada de Rede
  • Roteamento de datagramas da origem ao destino. Ex.: IP, protocolos de roteamento.
• Camada de Enlace
  • Transferência de dados entre elementos vizinhos da rede. Ex.: PPP, Ethernet…
• Camada Física
  • Bits no meio de transmissão. Ex.: Pulsos elétricos no Cabo UTP.

Modelo OSI x Modelo TCP/IP

• Semelhanças
  • Ambos têm camadas;
  • Ambos têm camadas de aplicação, embora incluam serviços muito diferentes;
  • Ambos têm camadas de transporte e de rede comparáveis;
  • A tecnologia de comutação de pacotes (e não comutação de circuitos) é presumida por ambos;
  • Os profissionais da rede precisam conhecer ambos.
• Diferenças
  • TCP/IP combina os aspectos das camadas de apresentação e de sessão dentro da sua camada de aplicação;
  • TCP/IP combina as camadas física e de enlace do OSI em uma camada;
  • TCP/IP parece ser mais simples por ter menos camadas;
  • Os protocolos do TCP/IP são os padrões em torno dos quais a Internet se desenvolveu, portanto o modelo TCP/IP ganha credibilidade apenas por causa dos seus protocolos. Em contraste, nenhuma rede foi criada em torno de protocolos específicos relacionados ao OSI, embora todos usem o modelo OSI para guiar seu raciocínio.

Fontes

Livros

• COMER, Douglas ; STEVENS, David L. Interligação em Rede com TCP/IP. Rio de Janeiro: Campus, 1999.
• DIOGENES, Yuri. Certificação Cisco. Rio de Janeiro: Axcel Books, 2004.
• FILIPPETTI, Marcos A. CCNA 3.0 – Guia Completo de Estudo. Florianópolis: Visual Books, 2002.
• MORIMOTO, Carlos E. Guia Completo de Redes. Guia do Hardware. 2ª Ed., Editora GDH Press e Sul.
• LEWIS, Cris. Cisco TCP/IP Routing Professional Reference. Nova Iorque: McGraw-Hill, 1999.

Internet

• LOPEZ, Roberto G. IP Security. UFRJ. Disponível em: www.gta.ufrj.br <Acesso em: 31/07/2016>
• Viva o Linux
• IFRN – Redes de Computadores