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terça-feira, 17 de maio de 2011

Frames e Pacotes

Podemos dizer que a função de qualquer rede é simplesmente transportar informações de um ponto a outro. Pode ser entre dois micros ligados através de um simples cabo cross-over, ou pode ser entre dois servidores situados em dois continentes diferentes. Do ponto de vista do sistema operacional e dos aplicativos, não faz muita diferença.

No nível mais baixo temos os cabos de rede, que são enquadrados no primeiro nível do modelo OSI (camada física) e se destinam unicamente a transportar os impulsos elétricos de um micro a outro. Ao utilizar uma rede wireless ou cabos de fibra óptica, os sinais são transmitidos (respectivamente) na forma de sinais de rádio ou luz, mas a função básica (transportar dados de um ponto a outro) continua a mesma, independentemente da mídia utilizada.

Em seguida temos os switches ou hub-switches que utilizamos para interligar os micros da rede local. Na verdade, o termo "hub-switch" foi inventado pelos fabricantes para diferenciar os switches mais baratos, que carecem de funções mais avançadas dos switches "de verdade", que possuem mais portas e incluem interfaces de administração elaboradas.

O termo "switch" está mais relacionado ao modo de funcionamento do aparelho e não ao seu custo ou funções. Um switch é capaz de encaminhar os frames Ethernet para o destinatário correto, fechando "circuitos" entre as duas portas envolvidas, enquanto um hub antigo simplesmente repete os sinais recebidos em todas as portas.



Assim como as placas de rede, os switches trabalham no nível 2 do modelo OSI (link de dados), enviando frames Ethernet e endereçando os outros dispositivos da rede usando endereços MAC ao invés de endereços IP. Só para efeito de comparação, os hubs "burros" trabalham no nível 1, assim como os cabos de rede. Eles são meros dispositivos de transmissão, que não realizam processamento.

Os frames Ethernet são "envelopes" para os pacotes TCP/IP. O aplicativo (um navegador, um servidor web, ou qualquer outro aplicativo transmitindo dados pela rede) envia os dados ao sistema operacional, que divide o stream em pacotes TCP/IP e os envia à placa de rede. As placas de rede (que não entendem o protocolo TCP/IP) tratam os pacotes como um fluxo de dados qualquer e adicionam mais uma camada de endereçamento, desta vez baseada nos endereços MAC dos dispositivos da rede, gerando o frame Ethernet que é finalmente transmitido. Ao chegar do outro lado, o "envelope" é removido e o pacote TCP/IP é entregue.

O uso dos frames adiciona alguns bytes adicionais a cada pacote transmitido, reduzindo sutilmente o desempenho da rede. Veja o diagrama de um frame Ethernet:



A transmissão de cada frame começa com o envio de 8 bytes, contendo um preâmbulo e uma sequência de inicialização. Ele serve para avisar outros micros da rede de que uma transmissão está prestes a começar. Estes 8 bytes iniciais não fazem parte do frame e são descartados pelas placas de rede depois de recebidos, por isso não aparecem no relatório mostrado por sniffers de rede, como o wireshark.

O pacote TCP/IP é incluído dentro do campo de dados, que pode incluir até 1500 bytes por frame. Pacotes maiores do que este valor precisam ser divididos em fragmentos com até 1500 bytes e enviados usando vários frames.

Junto com os dados é transmitido o cabeçalho do frame (14 bytes no total), que inclui o endereço MAC de destino, endereço MAC de origem e um campo para o tipo de dados e mais 4 bytes finais, que contém códigos de CRC, usados (pelas placas de rede) para verificar a integridade do frame recebido. Este cabeçalho é também chamado de "MAC Header". Ao receber cada frame, a placa de rede usa os 4 bytes (32 bits) de CRC para verificar a integridade do frame recebido e, caso ele esteja corrompido ou incompleto, ela o descarta e solicita sua retransmissão.

Dentro do pacote TCP/IP temos novos headers, que contém o endereço IP de origem, endereço IP de destino, porta de origem, porta de destino, códigos de verificações, número do pacote, campo para inclusão de opções e assim por diante.

No total, temos 20 bytes para os headers do protocolo TCP e mais 20 bytes para os headers do protocolo IP, totalizando 40 bytes de headers por pacote. Desta forma, temos 1460 bytes de dados em um pacote de 1500 bytes e 536 bytes de dados em um pacote de 576 bytes:



À primeira vista, pode parecer estranho que sejam incluídos headers separados para o TCP e o IP, mas a verdade é que os dois são complementares e por isso não podem ser dissociados. É por isso que usamos o termo "TCP/IP", como se os dois protocolos fossem uma coisa só.

Os headers do protocolo IP incluem o endereço IP de origem e de destino, enquanto os headers do TCP incluem a porta de origem e de destino, por exemplo. Em resumo, podemos dizer que o IP se encarrega da entrega dos pacotes, enquanto o TCP se encarrega da verificação de erros, numeração de portas e tudo mais.

Como vimos anteriormente, o TCP/IP permite o uso de pacotes com até 64 kbytes, mas o tamanho de pacote mais usado é de 1500 bytes, que equivalem ao volume de dados que podem ser transmitidos em um único frame Ethernet.

Em um pacote de 1500 bytes, temos até 1460 bytes de dados e 40 bytes referentes aos headers IP e TCP. Arquivos e outros tipos de informações são transmitidas na forma de sequências de vários pacotes. Um arquivo de 15 KB, por exemplo, seria dividido em um total de 11 pacotes; os 10 primeiros contendo 1460 bytes cada um e o último contendo os últimos 760 bytes. É graças aos códigos de verificação e numeração dos pacotes que arquivos grandes podem ser transmitidos de forma íntegra mesmo através de conexões via modem ou links wireless, onde diversos pacotes são corrompidos ou perdidos. Basta retransmitir os pacotes extraviados ou danificados quantas vezes for necessário. :)

O tamanho dos pacotes pode variar também de acordo com o meio de transmissão usado. No ADSL PPPoE, por exemplo, são utilizados pacotes de 1492 bytes, pois o protocolo usado demanda o uso de 8 bytes adicionais para o header. Nas conexões discadas, onde a conexão é mais lenta e a perda de pacotes é mais comum, são geralmente utilizados pacotes de apenas 576 bytes. Existem ainda casos de pacotes maiores, utilizados em situações específicas.

Dentro da rede local, temos um total de 1518 bytes transmitidos para cada pacote TCP/IP de 1500 bytes, incluindo os 14 bytes do header e os 4 bytes de CRC. Se formos incluir também os 8 bytes iniciais, que contém o preâmbulo e a sequência de inicialização, o número sobe para 1526 bytes. Considerando que cada pacote contêm apenas 1460 bytes de dados, temos 66 bytes de overhead no total, o que corresponde a quase 5% do volume de dados transmitidos.

Em uma rede local, que trabalha a 100 ou 1000 megabits, isso não faz muita diferença, mas na Internet isso seria um grande desperdício. Por isso, os roteadores se encarregam de eliminar estas informações desnecessárias, retransmitindo apenas os pacotes TCP/IP propriamente ditos. É por isso que não é possível criar regras de firewall baseadas em endereços MAC para pacotes vindos da Internet: os endereços MAC fazem parte das informações incluídas no frame Ethernet, que são descartadas pelos roteadores.

Por trabalharem diretamente com endereços IP, os roteadores são enquadrados na camada 3 do modelo OSI (camada de rede). Basicamente, são roteadores que cuidam de todo o trafego de dados na Internet. Você pode utilizar um hub ou switch dentro da sua rede local, mas ao acessar a Internet você sempre utiliza um roteador, seja um roteador Cisco de grande porte, seja um modem ADSL ou um micro com duas placas de rede compartilhando a conexão.

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