Conceito e dimensionamento de recursos de voz e sinalização em redes de nova geração

i

LORENO MENEZES DA SILVEIRA

CONCEITO E DIMENSIONAMENTO DE RECURSOS DE VOZ E

SINALIZAÇÃO EM REDES DE NOVA GERAÇÃO

CAMPINAS 2015

iii

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO DEPARTAMENTO DE COMUNICAÇÕES

LORENO MENEZES DA SILVEIRA

CONCEITO E DIMENSIONAMENTO DE RECURSOS DE VOZ E SINALIZAÇÃO EM

REDES DE NOVA GERAÇÃO

Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da

Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestre em ENGENHARIA ELÉTRICA

Área de Telecomunicações e Telemática

Orientador: Prof. Dr. MICHEL DAOUD YACOUB

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELO ALUNO LORENO MENEZES DA SILVEIRA, E ORIENTADA PELO PROF. DR. MICHEL DAOUD YACOUB.

CAMPINAS 2015

vii RESUMO

Esta dissertação apresenta uma visão da evolução das redes de telecomunicações objetivando o atendimento dos parâmetros da Qualidade de Serviço de redes IP aos requisitos de qualidade de voz das redes telefônicas de circuitos comutados. Gera também uma série de resultados úteis para planejar a introdução de novas tecnologias e Redes de Nova Geração (NGN) para serviços de voz.

Entre os resultados, introduz uma metodologia de planejamento de rede com base na experiência do autor na área. A aplicação desta metodologia é descrita em um caso de estudo sobre a introdução do serviço de voz através de uma rede IP existente. Analisa parâmetros de qualidade de serviço, requisitos de qualidade de voz e, finalmente, calcula a taxa de transferência de fluxo de dados adicional devido ao tráfego de voz. Os cálculos são baseados em um modelo de dimensionamento implementado em uma planilha do Excel. Apesar de não ilustrado neste trabalho, os resultados provaram sua efetividade e consistência com a implantação de uma prestadora específica e com o comportamento subsequente da rede em cidades relevantes, como São Paulo, Rio de Janeiro e Belo Horizonte.

A dissertação também apresenta modelos de dimensionamento para o tráfego de sinalização: Sistema de Sinalização Nº 7 (ISUP - Rede Digital de Serviços Integrados e BICC - Controle de Chamadas Independente de Suporte) para uso em redes TDM (Time Division Multiplex), ATM (Asynchronous Transfer Mode) ou NGN, explorando estes modelos de aplicação para o protocolo H.248 com possível extensão a SIP, ambos usados no contexto NGN.

Palavras chave: Redes de Nova Geração, NGN, IP/MPLS, Voz sobre IP, vazão, SS7, SS Nº7 dimensionamento do tráfego de sinalização, dimensionamento H.248/ SIP, Qualidade de Serviço em redes IP

ix ABSTRACT

This dissertation provides an overview of telecommunication networks evolution in the light of compliance of IP networks Quality of Service’s parameters with Public Switched Telephone Networks (PSTN) voice quality requirements. It also delivers a number of new results useful for planning and designing the introduction of new technologies as well as Next Generation Networks (NGN), to provide voice services.

Among the results, it introduces a network planning methodology based on the author's experience in this area. The application of such methodology is depicted in a study case concerning the introduction of the voice service over an existing IP network. It analyzes Quality of Service parameters, voice quality requirements and, finally, it calculates the additional data flow throughput due to the voice traffic. The calculations are based on a dimensioning model implemented in an excel spreadsheet. Although not being shown here, the results have been proved effective and consistent with a specific carrier deployment and subsequent network behavior in relevant cities like São, Paulo, Rio de Janeiro and Belo Horizonte.

This work also presents a dimensioning model for signaling traffic: Signalling System Nº 7 (ISUP – Integrated Services Digital Networks and BICC - Bearer Independent Call Control) for use in TDM (Time Division Multiplex), ATM (Asynchronous Transfer Mode) or NGN networks. Furthermore, it exploits the application of the dimensioning model to H.248 protocol, suggesting how to extend it to SIP, both used in the NGN context.

Keywords: Next Generation Networks, NGN, IP/MPLS, Voice over IP, VoIP, throughput, SS7, SS Nº7 signalling traffic dimensioning, H.248/ SIPdimensioning, IP QoS

xi

SUMÁRIO

2 REDES IP E QUALIDADE DE SERVIÇO ... 5

2.1 INTRODUÇÃO ... 5

2.2 O MODELO DE INTERCONEXÃO DE SISTEMAS ABERTOS ... 5

2.3 CONCEITOS EM UMA ARQUITETURA ESTRATIFICADA ... 6

2.4 AS SETE CAMADAS ...10

2.5 DESCRIÇÃO GERAL DAS CAMADAS ...12

2.5.1 A Camada Física ...12

2.5.2 A Camada de Enlace de Dados ...12

2.5.3 A Camada de Rede ...12

2.5.4 A Camada de Transporte ...13

2.5.5 A Camada de Sessão ...13

2.5.6 A Camada de Apresentação ...14

2.5.7 A Camada de Aplicação ...14

2.6 AS REDES IP E AS APLICAÇÕES INTERNET ...15

2.6.1 Introdução ...15

2.6.2 O Modelo de Referência TCP/IP ...16

2.6.3 Protocolo Internet (IP) ...20

2.6.4 Endereçamento ...23

2.6.5 Roteamento ...25

2.6.6 ICMP ...26

2.6.7 ARP/RARP ...27

2.6.8 Protocolo Datagrama de Usuários (UDP) ...28

2.6.9 Transmission Control Protocol - TCP ...29

2.6.10 Real Time Transport Protocol - RTP ...32

2.7.1 Introdução ...34

2.7.2 Funcionalidades MPLS ...34

2.7.3 O Cabeçalho MPLS ...36

2.8 QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES IP ...37

2.8.1 Introdução ...37

2.8.2 Histórico ...37

2.8.3 Mecanismos de Qualidade de Serviço ...38

2.8.4 Arquitetura de Serviços Integrados ...46

2.8.5 Arquitetura de Serviços Diferenciados ...49

2.8.6 Parâmetros de Qualidade de Serviço ...51

2.9 CONCLUSÕES ...56

3 A EVOLUÇÃO DAS REDES DE CIRCUITOS COMUTADOS ...60

3.1 INTRODUÇÃO ...60

3.2 REDE TELEFÔNICA PÚBLICA COMUTADA ...60

3.2.1 Histórico ...60

3.2.2 Estrutura da PSTN ...62

3.2.3 A Rede Digital Integrada ...64

3.3 A REDE DIGITAL DE SERVIÇOS INTEGRADOS (FAIXA ESTREITA) ...69

3.3.1 Generalidades ...69

3.3.2 Metodologia de especificação em estágios ...70

3.3.3 Serviços de suporte (Bearer services) e Tele-serviços (Teleservices) ...72

3.3.4 Estruturação da comunicação em diferentes planos ...73

3.4 REDE DIGITAL DE SERVIÇOS INTEGRADOS DE FAIXA LARGA ...74

3.5 REDE INTELIGENTE ...77

3.6 REDE MÓVEL TERRESTRE PÚBLICA ...80

3.7 CONCLUSÕES ...82

4 O SISTEMA DE SINALIZAÇÃO Nº7 DO ITU-T...85

4.1 INTRODUÇÃO E HISTÓRICO ...85

4.2 MÉTODOS DE SINALIZAÇÃO ...86

4.2.1 Sinalização por canal associado e por canal comum ...86

4.2.2 Vantagens da sinalização por canal comum ...88

xiii

4.3 O SISTEMA Nº7 ...91

4.3.1 Objetivos e Campo de Aplicação ...91

4.3.2 Redes e Modos de Sinalização ...92

4.4 ARQUITETURA DO SS Nº7 ...94

4.5 O SUBSISTEMA DE TRANSFERÊNCIA DE MENSAGENS ...96

4.5.1 Enlace de Dados de Sinalização ...97

4.5.2 Enlace de Sinalização. ...98

4.5.3 Rede de Sinalização. ... 101

4.6 OS SUBSISTEMAS DE USUÁRIOS ... 105

4.7 ARQUITETURA DA CAMADA DE APLICAÇÃO ... 108

4.7.1 Introdução ... 108

4.7.2 O Mecanismo de Transporte de Aplicações (APM) ... 109

4.7.3 Camada de Aplicação ... 109

4.8 ASPECTOS DE DIMENSIONAMENTO DO TRÁFEGO DE SINALIZAÇÃO ... 112

4.8.1 Introdução ... 112

4.8.2 Subsistema de usuário telefônico ... 114

4.8.3 Subsistema de usuario para a RDSI (ISUP) ... 121

4.8.4 Bearer Independent Call Control – BICC ... 126

4.9 CONCLUSÕES ... 132

5 AS REDES DE NOVA GERAÇÃO ... 135

5.1 INTRODUÇÃO ... 135 5.2 DESCRIÇÃO GERAL ... 136 5.3 DESCRIÇÃO SIMPLIFICADA ... 138 5.3.1 SIP... 140 5.3.2 MEGACO (H.248) ... 146 5.3.3 SIGTRAN ... 153

5.4 MODELO PARA AS DISTRIBUIÇÔES DE MENSAGENS H.248/SIP ... 159

5.4.1 Introdução ... 159

5.4.2 Considerações gerais ... 159

5.4.3 H.248: Cálculo do comprimento médio dos comandos e do número de comandos por chamada ... 160

mensagens por chamada ... 163

5.4.5 Cálculo do comprimento médio das mensagens SIGTRAN ... 163

5.5 CONCLUSÕES ... 163

6 PROPOSTA DE MÉTODO DE DIMENSIONAMENTO DE REDES DE NOVA GERAÇÃO E ESTUDO DE CASO ... 166

6.1 INTRODUÇÃO ... 166

6.2 METODOLOGIA DE PLANEJAMENTO DE REDES ... 166

6.3 DESCRIÇÃO GERAL DO ESTUDO DE CASO ... 169

6.4 DESEMPENHO DOS CODEC ... 171

6.4.1 Apresentação dos codecs utilizados ... 171

6.4.2 Cálculo da largura de banda necessária (voz) ... 174

6.5 DESENVOLVIMENTO DO ESTUDO DE CASO ... 175

6.5.1 Infraestrutura de transmissão ... 175

6.5.2 Mapeamento da solução NGN ... 176

6.5.3 Descrição do modelo de Rede ... 180

6.5.4 Resultados obtidos ... 184

6.5.5 Conclusões ... 191

6.6 CONCLUSÕES ... 192

xv Gostaria de agradecer pelo apoio e incentivo, José Luis Oliveira de Souza

José Luiz Malavazi Michel Daoud Yacoub

xvii

Lista de Figuras

Figura 1: Aspectos relevantes na Arquitetura OSI ... 7

Figura 2: Subsistemas e Camadas no Modelo OSI ... 7

Figura 3: Entidades, Funções e Protocolos ... 8

Figura 4: Prestação de serviço em camadas ... 9

Figura 5: Primitivas entre camadas ... 10

Figura 6: O Modelo OSI de 7 camadas ... 11

Figura 7: O Modelo OSI com retransmissores ... 11

Figura 8: ARPANET ... 16

Figura 9: Modelo de Referência IP ... 17

Figura 10: Funcionalidade no Modelo TCP-IP... 18

Figura 11: Formato do pacote IP ... 21

Figura 12: Evolução do campo ToS ... 22

Figura 13: Notação binária e decimal pontuada ... 23

Figura 14: Formatos de Endereços IP ... 24

Figura 15: Transporte IP do ICMP/IGMP ... 26

Figura 16: Formato do quadro Ethernet ... 28

Figura 17: Cabeçalho UDP ... 29

Figura 18: Pseudo Cabeçalho IP ... 29

Figura 19: PDU TCP ... 31

Figura 20: Formato da PDU RTP ... 33

Figura 21: Cabeçalho MPLS ... 36

Figura 22: Mecanismo token bucket ... 40

Figura 23: Marcador de 3 cores e uma CIR ... 41

Figura 24: Marcador de 3 cores e 2 taxas ... 42

Figura 25: Funcionamento básico do Escalonador ... 43

Figura 26: Funcionalidades de um Router no Modelo IntServ ... 47

Figura 27: Funcionalidades de um Router no Modelo DiffServ (RFC 2475)... 50

Figura 28: Ocorrência de Jitter ... 54

Figura 29: Estrutura da PSTN ... 64

Figura 30: Sinalização em Corrente Contínua ... 65

Figura 31: Interligação entre centrais com sinalização multifrequencial ... 68

Figura 32: Protocolo de sinalização multifrequencial típico ... 68

Figura 33: Interligação entre centrais com sinalização por canal comum ... 69

Figura 34: Pontos de referência – interface UNI ... 72

Figura 35: Modelo de Referência ISDN de protocolos ... 74

Figura 36: Modelo de Referência B-ISDN ... 75

Figura 37: Flexibilidade de utilização da Camada ATM ... 76

Figura 38: Células ATM ... 77

Figura 40: Modelo IN em 4 Planos ... 80

Figura 41: Elementos da PLMN ... 81

Figura 42: Modos de sinalização ... 93

Figura 43: Estrutura típica da Rede de Sinalização ... 94

Figura 44: Arquitetura do SS Nº7 ... 95

Figura 45: Estrutura fundamental do SS Nº7 ... 97

Figura 46: Formato das SU ... 98

Figura 47: Funcionalidades do enlace de Sinalização ... 100

Figura 48: Funções da Rede de Sinalização ... 102

Figura 49: Modelo APM ... 109

Figura 50: Arquitetura da camada de Aplicação ISUP ... 111

Figura 51: Modelo Funcional BICC/APM ... 112

Figura 52: Arquitetura de Rede BICC ... 112

Figura 53: Estabelecimento de Chamada Bem Sucedida - Método em Bloco ... 116

Figura 54: Estabelecimento de Chamada Bem Sucedida – Método Overlap ... 117

Figura 55: Estabelecimento de Chamada Mal Sucedida com assinante B Ocupado ... 117

Figura 56: Estabelecimento de Chamada Mal Sucedida - Número de B Incompleto ... 117

Figura 57: Falha por temporização ... 118

Figura 58: Distribuição dos Comprimentos de mensagens de sinalização no TUP ... 120

Figura 59: Chamada Telefônica Bem Sucedida – Método em Bloco ... 123

Figura 60: Chamada Telefônica Bem Sucedida - Método Overlap ... 124

Figura 61: Chamada Mal Sucedida - Congestionamento ou Condição de B ... 124

Figura 62: Distribuição dos Comprimentos de mensagens de sinalização no ISUP ... 126

Figura 63: Chamada BICC bem sucedida, suporte A->B ... 128

Figura 64: Chamada BICC bem sucedida, suporte B->A ... 129

Figura 65: Chamada BICC bem-sucedida, sem liberação do suporte ao final ... 130

Figura 66: Distribuição dos comprimentos de mensagens BICC ... 131

Figura 67: Visão geral da Arquitetura NGN ... 138

Figura 68: Arquitetura simplificada da NGN ... 139

Figura 69: Arquitetura funcional SIP ... 141

Figura 70: Registro do User Agent ... 145

Figura 71: Chamada direta entre User Agents ... 145

Figura 72: Redirecionamento de chamada utilizando o Redirect Server ... 146

Figura 73: Modelo de conexão H.248.1 ... 147

Figura 74: Formatação de Mensagens MEGACO ... 150

Figura 75: Chamada local bem sucedida entre PABX ... 151

Figura 76: Chamada PSTN bem sucedida ... 152

Figura 77: Exemplo MEGACO + SIP ... 152

Figura 78: Arquitetura de Protocolos SIGTRAN ... 154

Figura 79: Estrutura de blocos funcionais do SCTP ... 155

Figura 80: Pacote SCTP ... 156

xix

Figura 82: Formato das mensagens M3UA ... 158

Figura 83: Distribuição dos comprimentos de comandos H.248... 162

Figura 84: Topologia da Rede de dados... 175

Figura 85: Modelo de Rede ... 180

Figura 86: Comutação local no MG ... 182

xxi

Lista de Tabelas

Tabela 1: Quadro de tipos de chamadas ... 119

Tabela 2: Frequência relativa dos comprimentos de mensagem ... 120

Tabela 3: Variante nacional do TUP: Distribuição de comprimentos das mensagens ... 121

Tabela 4: Quadro de tipos de chamadas ISUP ... 125

Tabela 5: Distribuição de comprimentos das mensagens ISUP ... 125

Tabela 6: Quadro de tipos de chamadas BICC ... 131

Tabela 7: Distribuição do comprimento das mensagens BICC ... 131

Tabela 8: Quadro de tipos de chamadas H.248 ... 161

Tabela 9: Desempenho dos Codecs ... 171

Tabela 10: Definições MOS ... 172

Tabela 11: Cálculo da largura de Banda ... 174

Tabela 12: Plano de crescimento na base atual ... 178

Tabela 13: Perfil padrão de tráfego ... 178

Tabela 14: Matriz de Interesse de Tráfego ... 179

Tabela 15: Percentuais de tráfego Interno e de Interconexão ... 180

Tabela 16: Cenário 1 - Cálculo do tráfego de voz na Rede IP ... 185

Tabela 17: Largura de banda devido ao tráfego de voz na Rede IP ... 185

Tabela 18: Largura de banda devido ao tráfego SS Nº7 ... 186

Tabela 19: Largura de banda devido ao tráfego de comandos H.248 ... 186

Tabela 20: Largura de banda na rede IP (Cenário 1) ... 186

Tabela 21: Cenário 2 - Cálculo do tráfego de voz na Rede IP ... 186

Tabela 22: Cenário 3 - Cálculo do tráfego de voz na Rede IP ... 187

Tabela 23: Largura de banda devido ao tráfego de voz na Rede IP – Cenário 2 ... 187

Tabela 24: Largura de banda devido ao tráfego SS Nº7 – Cenário 2 ... 187

Tabela 25: Largura de banda devido ao tráfego de comandos H.248 – Cenário 2 ... 188

Tabela 26: Largura de banda na rede IP – Cenário 2 ... 188

Tabela 27: Largura de banda devido ao tráfego de voz na Rede IP – Cenário 3 ... 188

Tabela 28: Largura de banda devido ao tráfego SS Nº7 – Cenário 3 ... 188

Tabela 29: Largura de banda devido ao tráfego de comandos H.248 – Cenário 3 ... 189

Tabela 30: Largura de banda na rede IP – Cenário 3 ... 189

Tabela 31: Largura de Banda Total (Cenário 4) ... 190

Tabela 32: Largura de Banda Total (Cenário 5) ... 191

Tabela 33: Largura de Banda Total (Cenário 6) ... 191

Tabela 34: Largura de Banda Total (Cenário 7) ... 191

xxiii

Lista de abreviaturas e siglas

(Nota do autor: Apenas siglas com relevância global no trabalho)

3GPP 3rd Generation Partnership Project ANATEL Agência NAcional de TELecomunicações APM Application Transport Protocol

ARP Address Resolution Protocols ATM Asynchronous Transfer Mode

BH Busy Hour

BHCA Busy Hour Call Attempts

B-ISDN Broadband Integrated Services Digital Network BRI BasicRate Interface

BSS Business Support Systems BTS Base Station Transceiver System CASE Common Application Service Elements

CCIF Telephone Consultative Committee (Comité Consultatif Téléphonie) CCIS Common Channel Interoffice Signaling

CCITT International Telephone and Telegraph Consultative Committee CODEC (Voice) Coder/Decoder

DSCP Differentiated Services Code Point DSS Digital Subscriber Signaling

E1 2.048 Mbps European PCM based bit stream ECN Explicit Congestion Notification

ETSI European Telecommunication Standards Institute GoS Grade of Service

GSM Groupe Speciale Mobile HLR Home Location Register

HMM Hora de Maior Movimento (BH) ICMP Internet Control Message Protocol

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IETF Internet Engineering Task Force – IETF

INAP Intelligent Network Application Part IP Internet Protocol

IPTD IP Transfer Delay

IPDV IP Delay Variation (Jitter) IPLR IP Loss Ratio

IPER IP Error Ratio

ISDN Integrated Services Digital Network

ISDN UP Integrated Services Digital Network User Part ISO International Organization for Standardization ISUP Integrated Services Digital Network User Part OSS Operation Support Systems

M3UA MTP Level 3 User Adaptation Layer MFC MultiFrequency Compelled

MG Media Gateway

MEGACO Media Gateway Control (H.248) MGC Media Gateway Control

MIPS Million Instructions per Second MOS Mean Opinion Score

MOU Minutes of Usage

MPLS Multi-Protocol Label Switching MSC Mobile Switching Centre MTP Message Transfer Part NGN New Generation Networks NNI Network to Network Interface OSI Open System Interconnection PABX Private Automatic Branch Exchange PCI Protocol Control Information

PCM Pulse Code Modulation PDU Protocol Data Unit

PLMN Public Land Mobile Network POI Point of Interconnection POP Points of Presence

xxv PRI Primary Rate Interface

PSTN Public Switched Telephone Network RARP Reverse Address Resolution Protocol RFI Request for Information

RFP Request for Proposal RFQ Request for Quotation RTP Real Time Protocol QoS Quality of Service

SASE Specific Applications Service Elements SCCP Signaling Connections Control Part SCTP Streaming Control Transmission Protocol SDU Service Data Unit

SGW Signaling Gateway SIGTRAN Signaling Transport SIP Session Initiation Protocol SPC Stored Program Controlled SS Nº7 Signaling System Nº7

STFC Serviço Telefônico Fixo Comutado STP Signaling Transfer Point

TCAP Transactions Capabilities Application Part TCP Transmission Control Protocol

TDM Time Division Multiplex

TI Telecomunicações e Informática TUP Telephone User Part

UDP User Datagram Protocol

UMTS Universal Mobile Telecommunications System UNI User to Network Interface

VCI Virtual Circuit Identifier VLR Visitor Location Register VoIP Voice over IP

1 INTRODUÇÃO

1.1 BREVE HISTÓRICO

Esta dissertação está baseada em um dos resultados obtidos durante um trabalho de pesquisa realizado pelo autor junto a uma prestadora de serviços de telecomunicações de renome e abrangência internacional. O trabalho foi contratado em nome da KNBS – Knowledge Networks & Business Solutions, empresa de Pesquisa, Consultoria e Software onde o autor trabalhava. A KNBS realizou um trabalho de pesquisa, dentre outras atividades, que incluiu o planejamento, desenho da rede e acompanhamento de implantação a esta prestadora até 2014. Por razões de confidencialidade apresenta-se aqui um estudo de caso fictício, mas razoavelmente similar. A pesquisa se iniciou por um estudo técnico da especificação da Solicitação de Propostas (Request For Proposal - RFP). O objetivo da prestadora era adquirir uma plataforma Next Generation Network (NGN) e implantá-la sobre o suporte de sua rede de pacotes Internet Protocol (IP) para a prestação do serviço telefônico fixo comutado.

Quando a pesquisa KNBS se iniciou, o Regulatório da prestadora já estava envolvido na obtenção das licenças necessárias junto à ANATEL, a prestadora já havia desenvolvido um modelo de negócios, já havia prospectado grande parte dos clientes, já havia concluído um estudo de caso que evidenciava a viabilidade de oferta do serviço telefônico fixo comutados a seus clientes e já havia lançado no mercado uma RFP para a compra dos equipamentos necessários. Os termos e a data de lançamento da RFP foram alterados por critérios corporativos da prestadora. Na ocasião, a prestadora solicitou uma tarefa adicional de avaliação do impacto dos serviços de voz sobre a rede de pacotes existente. A pesquisa KNBS atendeu, na época, a essa solicitação com um estudo de caso bastante similar ao objeto deste trabalho e que foi publicado em artigos e descrito detalhadamente no Capítulo 6, preservados os dados e a identidade da prestadora por razões de confidencialidade. A rede foi implantada com sucesso com base nos resultados sugeridos, sem apresentar indícios de sub ou superdimensionamento. O objetivo deste trabalho de dissertação é fundamentar e apresentar esse dimensionamento. Nesse sentido, ao invés de apresentar os resultados de forma sucinta como requer um empreendimento em fase de lançamento, e como foi feito na ocasião, preferiu-se uma abordagem acadêmica que ilustrasse e justificasse os conceitos previamente a sua utilização no corpo do trabalho.

1.2 ESCOPO E METODOLOGIA

Em relação ao escopo deste trabalho, cabe ressaltar que o dimensionamento de uma rede IP multisserviços ou somente para dados é uma tarefa diferente do dimensionamento que é apresentado neste trabalho. Essa atividade havia sido desenvolvida pela prestadora por ocasião da aquisição da plataforma IP, há já algum tempo, definindo a topologia da rede, as capacidades necessárias nos diversos roteadores (routers), as alternativas de roteamento bem como a necessidade de dispositivos de comutação de pacotes (switches) ou pontes (bridges). O objeto deste trabalho difere também do dimensionamento da rede NGN, que foi realizado posteriormente por ocasião da reavaliação e relançamento das RFP e que considera os equipamentos, as interfaces e as capacidades de processamento necessárias para atender os requisitos do serviço de voz. Essa atividade foi também realizada pela pesquisa KNBS, mas foge ao escopo deste trabalho.

Uma NGN pode ser considerada como uma rede de serviços de telecomunicações baseada em pacotes que fornece uma ampla gama de serviços e aplicações. A arquitetura NGN compreende um número de entidades funcionais, provisionadas ou ativadas de acordo com a complexidade do conjunto almejado de serviços. Por uma questão de simplicidade e de modo a atender às necessidades da metodologia e aplicação aqui apresentados, a arquitetura NGN pode ser considerada como um conjunto de entidades funcionais denominadas Media Gateway (MG), Signalling Gateway (SGW) e Media Gateway Controller (MGC) interligados por uma rede de pacotes IP. Sob os comandos de controle do MGC, o MG e SGW traduzem diferentes meios ou protocolos para o ambiente IP, e vice-versa.

O dimensionamento que é objeto deste trabalho inclui uma análise da capacidade da rede IP para suportar o tráfego devido à introdução dos serviços voz em certo número de localidades (crescente conforme o horizonte de planejamento). Calculam-se os tráfegos internos à NGN, de voz e de sinalização, bem como sua sensibilidade, inclusive quanto ao uso do Código de Prestadora correspondente, pelos assinantes ou usuários em geral. A pesquisa KNBS desconhecia (e a prestadora não desejava abrir) o tráfego IP (legado) nessas localidades, bem como as capacidades dos roteadores. O requisito da prestadora foi que o tráfego adicional fosse apresentado em termos de banda adicional cuja capacidade deveria ser atendida pelos roteadores. O trabalho de dimensionamento foi baseado em uma série de premissas acordadas com a prestadora. Nem sempre essas premissas representaram a opção mais econômica, frequentemente foram estabelecidas com o objetivo de preservar uma margem de segurança ao dimensionamento. Sempre que aplicável esses aspectos serão indicados no

A metodologia empregada foi sempre a descrita no capítulo 6, ou seja:

 Entendimento do modelo de negócios e caracterização técnica do problema;

 Estabelecimento de critérios para a seleção de uma solução: consulta ao cliente;

 Avaliação das informações disponíveis, ou o que se conhece sobre o problema, como está e como deve ser: consulta ao cliente;

 Desenho de uma solução para o problema, utilizando os insumos levantados: consulta ao cliente;

 Detalhamento da solução e revisão do desenho inicial: consulta ao cliente;

 Consolidação de resultados;

 Após a implantação, realização periódica de medições e identificação de possíveis mudanças de modo que ajustes possam ser feitos.

1.3

DESCRIÇÃO GERAL

Nos capítulos que se seguem descrevem-se com mais detalhe os possíveis fluxos de tráfego na rede IP que serve uma NGN. Em cada capítulo descrevem-se brevemente diversos protocolos utilizados para o transporte de voz ou de sinalização. A metodologia adotada na descrição consiste em apresentar um histórico, um conceito e a arquitetura correspondente, formatos e exemplos de procedimentos. Não é objetivo deste trabalho uma apresentação exaustiva de cada um desses protocolos, mas fornecer a informação suficiente para seu modelamento matemático em termos da frequência relativa de ocorrência de cada comprimento de mensagem, seu comprimento médio e overhead incluído.

No Capítulo 2, apresenta-se o Modelo de Sistemas Abertos da ISO e sua aplicação aos protocolos do mundo IP, incluindo os aspectos de Qualidade de Serviço. Propositalmente, estende-se a conceituação do Modelo de Sistemas Abertos da ISO para permitir o entendimento de conceitos tratados em outros capítulos e para fornecer ao leitor um exercício das técnicas de partição funcional de sistemas de comunicação.

No Capítulo 3, apresenta-se a Rede Telefônica e os serviços e redes de circuitos comutados que evoluíram desta rede. A NGN deverá conviver com a Rede Telefônica, seja qual for seu momento e situação de implantação. Com o objetivo de não estender demasiado a descrição, os protocolos do Sistema de Sinalização Nº7 (SS Nº7) são descritos num Capítulo seguinte. No Capítulo 4, apresenta-se o SS Nº7, sua arquitetura e protocolos relevantes para a NGN.

de controle de chamadas que interfuncionam com a NGN. Devido à limitação de escopo deste trabalho, não são tratadas com o detalhe suficiente para um modelamento, aplicações transacionais não relacionadas ao controle de chamadas e do suporte correspondente. No Capítulo 5, apresenta-se o conceito e a arquitetura NGN, com seus protocolos de abertura de sessão e de controle de recursos. Modela-se e estuda-se o desempenho dos processos de sinalização internos à NGN. Devido à limitação de escopo não são tratados recursos e protocolos transacionais característicos das NGN de Sistemas Celulares.

No Capítulo 6, apresenta-se o estudo de caso que motivou a elaboração deste trabalho, incluindo a formulação do problema, os insumos teóricos e os cálculos envolvidos.

No Capítulo 7, além das conclusões gerais, abordam-se possíveis extensões para este trabalho.

Em cada Capítulo, com o objetivo de fundamentar os conceitos, são anexadas diversas referências úteis ao aprofundamento do assunto, além das citadas no texto. As referências são agrupadas segundo os organismos responsáveis pela sua padronização, dentre os quais cumpre citar, pela relação com este trabalho, Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE, Internet Engineering Task Force – IETF, International Telecommunications Union –

ITU, International Organization for Standardization – ISO, International Electrotechnical

Commission - IEC e 3rd Generation Partnership Project - 3GPP. Seguem-se Regulamentos, Livros, artigos de peródicos e artigos baixados pela Internet.

Este trabalho refere muitos protocolos e envolve muitos mais, especificados ou não, nas Referências de cada capítulo. Neste aspecto, foram incluídas as referências básicas e necessárias para fundamentar a argumentação sustentada. Frequentemente, a Referência pode ser um grupo de Normas com datas diferentes de aprovação: a data citada, neste caso, coincide com a data de aprovação da Norma mais recente.

A grande maioria das Figuras nos Capítulos 1 a 5, são simples traduções ou adaptações, mais ou menos simplificantes, de figuras presentes em Normas Referenciadas, especialmente RFC, e Recomendações ITU, o que é mencionado no texto, reconhecendo e indicando a fonte da informação.

2

REDES IP E QUALIDADE DE SERVIÇO

2.1 INTRODUÇÃO

O objetivo deste capítulo é fornecer uma breve descrição dos padrões de comunicação de dados e das Redes IP, bem como apresentar os diversos parâmetros de Qualidade de Serviço relevantes numa Rede IP.

2.2 O MODELO DE INTERCONEXÃO DE SISTEMAS ABERTOS

Padrões de comunicação de dados vêm sendo elaborados desde a década de 1970 em resposta à demanda das múltiplas aplicações, seja na área de redes de telecomunicações seja na área de automação. Diversos são os organismos envolvidos, IEEE, IETF, ITU, ISO e

IEC.

Em particular, a ISO elaborou um Modelo de Referência, com o propósito de padronizar a comunicação entre sistemas de processamento heterogêneos, que vem sendo utilizado em diversas aplicações, por vários organismos normativos. O Modelo de Referência da ISO, denominado Modelo de Referência para a Interconexão de Sistemas Abertos, ou Modelo OSI (Open System Interconnection - OSI), ou ainda Modelo ISO, condensa a experiência de diversos organismos, fabricantes e administrações de redes de comunicação de dados durante diversos anos. O Modelo OSI baseia-se e constitui uma extensão dos trabalhos de geração de normas em diferentes fora como a ISO, IEEE e IETF. O modelo foi incorporado à série X de Recomendações do ITU depois de 1993/1994 através de uma publicação conjunta dos organismos envolvidos (ISO/IEC [22] e ITU [7]).

O objetivo do Modelo OSI é permitir a comunicação entre sistemas de processamento heterogêneos (i.é, de fabricantes e concepções distintas) mediante o uso de um conjunto de padrões que permitam a estes sistemas interfuncionar independentemente da natureza dos sistemas envolvidos. São considerados abertos aqueles sistemas que seguem estes padrões. Este Modelo, que contém de forma estruturada, técnicas de projeto e padrões para a interconexão de computadores em redes públicas de transmissão de dados, encontrou e ainda vem encontrando aplicação generalizada entre diversas interfaces da rede de telecomunicações, como redes locais, redes metropolitanas ou internacionais. O Modelo é suficientemente flexível para acomodar diversos níveis de compatibilidade entre os sistemas, incluindo estritamente um conjunto de princípios, uma arquitetura funcional comum, um mesmo conjunto de serviços de transferência ou os mesmos protocolos. Além disto, o

desenvolvimento de aplicações específicas deste modelo tem fomentado diversos ramos industriais importantes relacionados aos serviços de informática e telecomunicações.

2.3 CONCEITOS EM UMA ARQUITETURA ESTRATIFICADA

Um sistema real é um conjunto de um ou mais computadores, software associado, periféricos, terminais, operadores, processos físicos e meios de transferência de informação, formando um conjunto autônomo, capaz de realizar o processamento e transferência de informações. O Modelo diz respeito apenas à interconexão de sistemas, isto é, com a troca de informações entre sistemas abertos (e não com o funcionamento interno de cada sistema aberto real). No entanto, a interconexão não se resume na transmissão de informações entre sistemas, mas envolve sua capacidade de interfuncionar para atingir uma dada tarefa (comum). O Modelo supõe a existência de meios físicos de transmissão de dados que interligam diferentes Processos de Aplicação.

Entende-se por Meios físicos de transmissão de dados o conjunto de equipamentos, fios, cabos utilizados na interligação de sistemas reais. Entende-se por Processo de Aplicação qualquer forma de associação que permita, a partir de um conjunto de dados obter um conjunto de resultados. São exemplos de Processos de Aplicação:

 A operação de um terminal bancário;

 Um programa FORTRAN executado num centro de computação e acessando uma base de dados remota;

 Um centro de controle industrial enviando comandos a um conjunto de robôs de montagem.

Neste modelo, as aplicações de cada sistema só interessam na medida em que, para sua consecução, a comunicação com outros sistemas é envolvida (ver Figura 1).

Figura 1: Aspectos relevantes na Arquitetura OSI

O Modelo de Referência se aplica indistintamente a Redes (de Áreas) Locais (Local Area Network - LAN), Redes Metropolitanas (Metropolitan Área Network – MAN) e Regionais/Nacionais/Mundiais (Wide Area Network - WAN). O Modelo não pressupõe nenhum padrão existente, mas foi desenhado para acomodar as funcionalidades implementadas. A técnica básica de estruturação empregada no Modelo de Referência é a estratificação ou partição funcional em camadas. Cada sistema aberto é considerado do ponto de vista lógico, um conjunto ordenado de Subsistemas, representados por conveniência na sequência vertical, conforme Figura 2 ([7], [22]).

Subsistemas de mesma ordem (N), coletivamente, formam a camada-(N). Um Subsistema-(N) consiste de uma ou mais entidades-(N). Uma entidade-(N) é definida como um elemento ativo em um Subsistema-(N).

Figura 2: Subsistemas e Camadas no Modelo OSI

SISTEMA A

SISTEMA C

SISTEMA B SISTEMA D

Diz-se também que Entidade-(N) é o conjunto de elementos ativos em um Subsistema-(N). As entidades de uma mesma camada são denominadas pares. Exceto pela última camada, cada camada-(N) fornece às entidades-(N+1) da Camada-(N+1), serviços-(N). Os serviços fornecidos pela Camada (N) são caracterizados pela seleção de uma ou mais facilidades-(N), as quais determinam os atributos de cada serviço.Os serviços de uma camada-(N) são fornecidos à camada-(N+1) utilizando funções-(N) realizadas na camada-(N) e quando necessário os serviços disponíveis da camada-(N-1). Uma entidade-(N) pode fornecer serviços a uma ou mais entidades – (N+1) e usar o serviço de uma ou mais entidades-(N-1). A cooperação entre entidades-(N) é regida por um ou mais Protocolos-(N) e ocorre sempre que a entidade-(N) não pode por si só, fornecer o serviço solicitado por uma entidade-(N+1). Só existem protocolos entre entidades pares. O conjunto de protocolos de um Sistema é frequentemente referido como pilha (stack) ou sequência (suite) de protocolos. A Figura 3 ilustra estes conceitos.

Figura 3: Entidades, Funções e Protocolos

A informação entre entidades de uma mesma camada ou entidades em camadas adjacentes é transferida em várias formas de unidades de dados (Data Units). Em um sistema, a forma com que a unidade de dados é passada de uma camada a outra é denominada Unidade de Dados de Serviço (Service Data Unit – SDU). A forma com que as unidades de dados são trocadas entre diferentes Subsistemas é denominada Unidade de Dados de Protocolo (Protocol Data Unit- PDU). Desta forma, no Modelo OSI cada prestação de serviço, correspondente ao tratamento das unidades de dados, em cada camada, acrescenta à unidade de dados um campo de controle de protocolo, Protocol Control Information – PCI

frequentemente denominado Cabeçalho (Header). No sentido inverso, este campo é retirado em cada camada correspondente (ver Figura 4, ([7], [22]).

Figura 4: Prestação de serviço em camadas

A interface de serviço entre camadas e a descrição das SDU é feita por meio de primitivas. As primitivas são comandos e respectivas respostas correspondentes aos elementos de serviço solicitados entre camadas. As primitivas identificam a camada endereçada, e são designadas por um nome genérico e por um nome específico. O nome genérico especifica a ação a ser realizada pela camada endereçada e o nome específico define a direção do fluxo de primitivas. Os nomes genéricos são peculiares a cada camada, embora existam ações comuns a diversas camadas, por exemplo, conectar, transmitir dados, enviar reconhecimento, etc.

Os nomes específicos são padronizados independentemente das camadas, ou seja, são os mesmos para o Modelo OSI como um todo. Foram definidos quatro tipos de nomes específicos:

 Solicitação (request): primitiva utilizada pela camada usuária em um dado ponto de acesso a serviço, para evocar (solicitar) um elemento de serviço;

 Indicação (indication): primitiva utilizada pela camada provedora do serviço, no ponto de acesso a serviço par, para informar que um elemento de serviço foi evocado;

 Resposta (response): primitiva utilizada pela camada usuária para completar o elemento de serviço cuja evocação foi previamente indicada naquele ponto de acesso a serviço;

PDU

Dados

PCI

Dados

PCI

 Confirmação (confirmation): primitiva utilizada pela camada provedora do serviço, em um ponto de acesso específico, para completar o elemento de serviço evocado previamente por uma solicitação naquele ponto de acesso a serviço.

Assim a primitiva N-CONNECT ind é uma indicação de conexão passada pela camada de rede (Network) à camada de transporte. Deve-se observar que pode haver serviços sem confirmação (e resposta), reduzindo as primitivas à solicitação e indicação. A Figura 5 ilustra estes conceitos:

Figura 5: Primitivas entre camadas

2.4 AS SETE CAMADAS

Na elaboração final do Modelo de Referência também pesaram princípios de ordem prática, por exemplo, a existência de outros modelos, padronizados e em uso pela indústria para acomunicação entre processadores

.

ENTIDADE-N ENTIDADE-N CAMADA-(N-1) CAMADA-N SOLICITAÇÃO request CONFIRMAÇÃO confirmation INDICAÇÃO indication RESPOSTA response

Figura 6: O Modelo OSI de 7 camadas

A figura de retransmissor, embora possa aparecer em qualquer camada, é característica das camadas Física e de Rede, conforme ilustra a Figura 7.

Figura 7: O Modelo OSI com retransmissores

TRANSMISSÃO DE BITS CORREÇÃO DE ERROS ENDEREÇAMENTO CORREÇÃO DE ERROS FIM A FIM PROCEDIMENTOS DE DIÁLOGO SINTAXE SEMÂNTICA 1 APLICAÇÃO APRESENTAÇÃO SESSÃO TRANSPORTE REDE ENLACE FISICA 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 meio físico APRESENTAÇÃO

L1

L2

L3

L4

L5

L6

L7

L1

L2

L3

L4

L5

L6

L7

2.5 DESCRIÇÃO GERAL DAS CAMADAS

2.5.1 A Camada Física

A Camada Física define as características mecânicas, elétricas, funcionais e os procedimentos para ativar, manter e desativar conexões físicas para a transmissão de bits. As características mecânicas dizem respeito ao tamanho e forma de conectores, pinos, cabos, etc. que compõem um circuito de transmissão. As características elétricas especificam os valores dos sinais elétricos (nível de tensão e corrente) usados. As características funcionais definem o significado dado aos sinais transmitidos na camada física (por exemplo, transmissão, recepção, terra, etc.). Os procedimentos especificam as funções e protocolos necessários para a transmissão de bits. O bit é considerado, na transmissão serial, como a unidade de dados básica da Camada Física.

2.5.2 A Camada de Enlace de Dados

O objetivo básico da Camada de Enlace de Dados é assegurar a transferência confiável de dados entre sistemas conectados diretamente por um meio físico.O meio físico está frequentemente sujeito a ruídos e às interferências mais diversas, necessitando, desta forma, que funções mais inteligentes venham a suprir suas limitações. A Camada de Enlace de Dados envolve tipicamente as seguintes funções:

 Ativação e desativação do Enlace de Dados.

 Supervisão e Recuperação em caso de anormalidades.

 Sincronização.

 Segmentação e delimitação das unidades de dados.

 Controle de erros e sequenciamento das unidades de dados.

 Controle de Fluxo.

2.5.3 A Camada de Rede

A camada de rede tem por objetivo fornecer um suporte de comunicação fim-a-fim para as camadas superiores. Isto inclui a escolha do modo de transferência e da qualidade de serviço (por exemplo, no se que refere aos requisitos de retardo na transferência), o endereçamento da unidade de dados ao seu destino final na rede, o interfuncionamento com elementos de

controle de fluxo fim a fim e outras funções. A camada de Rede pode fornecer o serviço de transferência de dados por meio de conexões ou não, resultando em dois serviços de rede distintos:

 Serviço modo conexão ou orientado a conexão: neste serviço, também denominado de serviço de conexões virtuais, as entidades estabelecem uma conexão e transferem unidades de dados sobre esta conexão. Ao final, quando já não existem unidades de dados para transferência a conexão é liberada (desfeita).

 Serviço não associado a conexão: neste serviço, também denominado de serviço de datagrama, as entidades iniciam a transferência de dados sem estabelecer uma conexão.

2.5.4 A Camada de Transporte

A Camada de Transporte é a camada responsável pelo controle da transferência de dados, incluindo a qualidade do serviço e a correção de erros fim a fim. O exemplo mais bem sucedido da Camada de Transporte são os padrões associados a redes IP: TCP (Transmission Control Protocol) e UDP (User Datagram Protocol). O protocolo TCP é orientado à conexão, permite a entrega sem erros de um fluxo de dados e realiza controle de fluxo. O protocolo UDP, por outro lado é não orientado à conexão, sem controle de fluxos e garantia de entrega. A Camada de Transporte deve considerar os requisitos da aplicação, por meio dos parâmetros que descrevem as Classes de Serviço e as limitações da rede. São parâmetros de definição da Classe de Serviço:

 Vazão ou throughput (bit/s).

 Atraso de propagação (ms).

 Jitter ou Variação no atraso de propagação (ms).

 Probabilidade de falha no estabelecimento da conexão.

 Taxa de erro residual.

2.5.5 A Camada de Sessão

A Camada de Sessão tem por objetivo o controle dos procedimentos de diálogo através da abertura e fechamento de sessões. A camada de Sessão inclui as seguintes funções, entre outras:

 Transferência de dados em ambas direções, normal ou expressa;

 Gerência de Token, permitindo às aplicações solicitar e transferir a primazia da comunicação ou de exercício de determinadas funções;

 Controle de Diálogo, permitindo às aplicações acordar a forma de diálogo, half duplex ou duplex;

 Sincronização e gerência de atividades, permitindo estratificar o diálogo, colocando títulos, subtítulos e marcas de delimitação.

2.5.6 A Camada de Apresentação

A Camada de Apresentação é responsável pela sintaxe de dados, da mesma forma que a camada de Aplicação éresponsável pela semântica. Significa que o formato com que os conteúdos serão manipulados pela Camada de Aplicação é montado e desmontado pela Camada de Apresentação. Os aspectos de criptografia, se necessários por questões de segurança da comunicação, são também de responsabilidade desta Camada.

2.5.7 A Camada de Aplicação

A Camada de Aplicação é responsável pela semântica da comunicação. A estrutura da Camada de Aplicação (Recomendação X.207 [8]) foi modelada diferenciando:

 Elementos comuns a todas as aplicações, Common Application Service Elements (CASE) cujo objetivo é prover capacitações genéricas necessárias à transferência de informações, independentemente de sua natureza; de

 Elementos de serviço de aplicação específicos ou Specific Applications Service Elements (SASE) cujo objetivo é fornecer capacitações de transferência de informações destinadas a atender requisitos específicos de determinadas aplicações. Entre as funções CASE estão o estabelecimento e liberação de associações entre processos de aplicação e entre as funções SASE estão a transferência de arquivos ou tarefas, acesso a bases de dados, etc.

2.6 AS REDES IP E AS APLICAÇÕES INTERNET

2.6.1 Introdução

No início da década de 1970 a Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) financiou estudos na Universidade de Stanford para estabelecer uma rede de pacotes que interligasse os diferentes computadores das instituições de ensino universitário e pesquisa. Os resultados deste trabalho foram a rede ARPA (Advanced Research Projects Agency) e o Modelo de Referência das aplicações que utilizam protocolos IP. A Figura 8 ilustra a configuração que se tinha em mente para atingir este objetivo. Os Computadores Hospedeiros das aplicações de pesquisa eram denominados Hosts e não foi estabelecida nenhuma padronização sobre esses ou suas interfaces. Em geral, os Hosts eram servidos por redes locais. A rede de telecomunicações que interligava esses Computadores era formada por processadores de menor porte dedicados a esta função e denominados Interface Message Processor – IMP ou Gateways. A Interface entre os IMP era realizada, até a Camada 2 por um padrão do IMP e na Camada de Rede por um padrão de comunicação denominado Internet Protocol – IP. A rede resultante fornecia um serviço tipo datagrama, sem garantir a ordem de transmissão dos pacotes e desta forma, quando necessário, padronizou-se também um protocolo adicional residente nos Hosts (ou seja, fim a fim) com esta função, o Transmission Control Protocol – TCP.

O TCP/IP tornou-se a base em que as Aplicações ou Serviços Internet e a World Wide Web (www) se fundamentam [25], [26], [27], [28], [30] e [32].

Figura 8: ARPANET

2.6.2 O Modelo de Referência TCP/IP

Desde sua criação, a sequência de protocolos das aplicações Internet, que já previa a utilização dos protocolos IP, ICMP, TCP ou UDP, se multiplicou originando a arquitetura de protocolos (Modelo de Referência TCP/IP ou Modelo de Referência de Protocolos Internet) da Figura 9 [70].

Hosts

Figura 9: Modelo de Referência IP

O Modelo de Referência IP pode também ser ilustrado pela Figura 10 (baseada em Figuras de [72]) que deixa claro os seguintes aspectos peculiares:

 Hosts em diferentes redes locais podem se comunicar através de funcionalidades do Módulo Internet (Inter-redes).

 As funcionalidades do Módulo Internet residem em cada Host envolvido na comunicação Internet e em cada roteador ou gateway que interconecta diferentes redes locais.

 A interconectividade é assegurada pelo fato que os Módulos Internet interpretam da mesma forma informações de endereçamento e seguem procedimentos comuns para decisões de roteamento, ou seja, pelas funcionalidades de Camada de Rede .

 A função e propósito do Protocolo Internet (Inter-redes) é mover pacotes através de um conjunto de redes distintas e interconectadas. Isto é realizado passando o pacote de um Modulo Inter-redes ao outro até que o destino seja atingido.

 A Camada 2 (por exemplo, Media Address Control–MAC Ethernet [60]) não reconhece endereços de rede, desta forma há necessidade de mapear os endereços de rede recebidos, em endereços de Camada 2.

Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Física

Modelo OSI

Modelo TCP/IP

Ethernet Token Ring

Seqüência de protocolos

das aplicações Internet

HDLC

IGMP IP

 As funcionalidades do Módulo Internet abrangem o Protocolo Internet (Sub camada Inter-redes), o roteamento de pacotes, a supervisão de erros e controle de pacotes e o Mapeamento L3-L2.

 As funcionalidades do Módulo Internet são parte da Camada de Rede do Modelo OSI, fornecendo apenas o serviço de transferência de datagramas, sem controle de erros fim a fim, e sem garantia de entrega ou proteção contra duplicação.

 Os protocolos das Redes Locais (Camadas de Enlace de Dados e Física) não são definidos como parte do Modelo, desta forma os protocolos ilustrados representam apenas exemplos reconhecidos em Redes Locais (LAN).

Figura 10: Funcionalidade no Modelo TCP-IP

O Mapeamento L3-L2 é realizado por meio de Protocolos de Resolução de Endereços (Address Resolution Protocol – ARP [30]), em que os Hosts são instados a informar o endereço de Camada 2 correspondente a um endereço de rede IP específico. Após receber o endereço de Camada 2, os elementos da rede IP criam um ARP cachê para armazenar o mapeamento de endereços IP – Camada 2, de modo a evitar a retransmissão de ARP a cada tentativa de comunicação para aquele endereço IP. O Protocolo de Resolução de Endereços Reverso (Reverse Address Resolution Protocol – RARP [32]) é utilizado para mapear endereços de Camada 2 para endereços IP em sistemas que desconhecem seus endereços IP e que necessitam recorrer a um servidor onde resida a tabela de mapeamento de endereços de Camada 2 em endereços de rede.

Transporte Inter-redes Rede Local 1 (p/ex, Token Ring)

Aplicação Transporte Inter-redes Rede Local 2 (p/ex, Ethernet) Aplicação Inter-redes Router Host Host Rede Local 1 Rede Local 2

O Roteamento era feito, internamente a uma rede, por protocolos transportados pelo Protocolo Internet, como o Open Shortest Path First - OSPF [46] e especificado originalmente pela RFC 1131), Routing Information Protocol – RIP [35], ou Interior Gateway Routing Protocol - IGRP desenvolvido pela CISCO. O protocolo OSPF foi desenvolvido pelo grupo de trabalho IETF (Internet Engineering Task Force) e é baseado na informação de estados dos enlaces para manter as tabelas de rotas disponíveis. Há também protocolos de Roteamento Externo, como o Border Gateway Protocol – BGP [40] para utilização entre redes. Os protocolos de roteamento são dinâmicos, isto é, baseiam-se em rotas calculadas automaticamente a intervalos regulares pelos dispositivos de roteamento, ao contrário dos métodos estáticos em que as rotas são estabelecidas pelo administrador de rede. Em contrapartida, a rota completa não é conhecida no primeiro nó e cada nó se limita a determinar a melhor rota de seu ponto de vista. Os nós não supervisionam se os pacotes chegam ou não ao seu destino final.

O Protocolo Inter-redes ou Internet (Internet Protocol - IP) é um protocolo de rede (Camada 3) que contém informação de endereçamento e controle que possibilita aos pacotes ser encaminhados na rede. O IP está documentado na RFC 791 [26] e é o principal protocolo na sequência de protocolos das aplicações Internet.

O Protocolo de Mensagens de Controle Internet (Internet Control Message Protocol - ICMP) é um protocolo da Camada de Rede, transportado pelo Protocolo Internet, que fornece pacotes com mensagens para relatar erros ou outras informações referentes ao processamento de pacotes IP à sua fonte. O ICMP está documentado na RFC 792 [27]. O Protocolo de Gerência de Grupo Internet (IGMP - Internet Group Management Protocol) é um protocolo da Camada de Rede, transportado pelo Protocolo Internet, que fornece suporte para aplicações Internet Multicasting. O IGMP está especificado na RFC 1112 [37].

O Protocolo de Controle de Transmissão (Transmission Control Protocol - TCP) é um protocolo de Transporte (Camada 4) operando fim a fim (isto é, cujo cabeçalho criado na origem é transportado transparentemente pelo protocolo de rede, e só é aberto no destino) e provendo transmissão confiável de dados sobre uma rede IP. O TCP fornece serviços de transferência de dados, operação full-duplex e orientada a conexão, controle de erros e sequência dos pacotes, controle de fluxo e multiplexação. O TCP está documentado na RFC 793 [28] e faz parte do núcleo de protocolos das aplicações Internet.

O Protocolo Datagrama de Usuários (User Datagram Protocol - UDP) é um protocolo da camada de transporte não orientado a conexão que permite a multiplexação de diversas

aplicações concorrentes. Ao contrário do TCP, o UDP não acrescenta funções de confiabilidade, controle de fluxo, ou controle de erros, mas apresenta uma simplicidade de formatos e procedimentos que o tornam útil em situações onde os próprios protocolos de camadas superiores fornecem formas de controle de erros ou de fluxo. O UDP é o protocolo de transporte para diversos protocolos de camada de aplicação bastante conhecidos como Network File System (NFS), Simple Network Management Protocol (SNMP), Domain Name System (DNS), etc.O UDP está documentado na RFC 768 [25] e é considerado, em conjunto com TCP e IP, parte do núcleo de protocolos das aplicações Internet.

A sequência de protocolos dos Serviços Internet inclui diversos protocolos de aplicação, cujos principais aplicativos são:

 File Transfer Protocol (FTP) [24]: transfere arquivos entre Sistemas.

 Simple Network-Management Protocol (SNMP) [38]: relata condições anormais da rede e estabelece limiares de operação.

 Telnet [31]: protocolo de emulação de terminal, permitindo ao usuário de um Host se conectar e operar como se fosse um terminal de outro Host.

 Network File System (NFS)[36], Remote Procedure Call (RPC)[41], e External Data Representation (XDR)[42]: Cooperam para permitir o acesso transparente a recursos remotos de rede.

 Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) [29]: fornece serviços de mail eletrônico.

 Domain Name System (DNS) [34]: Traduz nomes dos nós ou entidades da rede para endereços de rede.

2.6.3 Protocolo Internet (IP)

O Protocolo Internet é um protocolo de camada de rede (Camada 3) que contém informação de endereçamento e controle que habilita a transferência dos pacotes através da rede. O Protocolo Internet tem duas responsabilidades principais: endereçamento, (fornecendo um serviço de transferência não orientado a conexões e permitindo apenas uma entrega best effort de datagramas através de múltiplas redes), e fragmentação e integração de datagramas para suportar enlaces de dados com diferentes comprimentos da máxima unidade de transmissão. O Protocolo Internet trata cada datagrama como uma unidade independente não relacionado a qualquer outra unidade. Não há conexões, circuitos lógicos ou virtuais. Foram padronizadas duas versões para o protocolo IP, IPv4 e IPv6. A versão

IPv6 [47] não será ilustrada neste trabalho, com o propósito de simplificar e melhor refletir o Modelo de Dimensionamento apresentado no Capítulo 6.

O pacote (datagrama) IPv4 contém diversos tipos de informação, conforme mostra a Figura

11.

Figura 11: Formato do pacote IP

O campo Versão (Version - 4 bits) indica o formato do Cabeçalho (por exemplo, IPv4/IPv6). O campo Internet Header Length – IHL (4 bits) apresenta o comprimento do cabeçalho em palavras de 32 bits. Observar que o valor mínimo correto para o IHL é 5.

O campo Tipo de Serviço ou Type of Service – ToS (8 bits) é utilizado para especificar o tratamento do datagrama durante sua transferência ao longo do sistema internet.

Permite especificar a Precedência ou Prioridade (Precedence) do datagrama e os parâmetros que devem ser otimizados (Delay, Throughput, Reliability, Cost) sem, contudo, garantir que estas exigências serãocumpridas pela rede.

Posteriormente, em 1998, na RFC 2474 [48], este campo passou a ser utilizado como Campo de Serviços Diferenciados - Differentiated Services (DS). Conforme mostra a Figura 12, seis bits foram definidos como Differentiated Services Code Point (DSCP), permanecendo os dois bits de menor ordem não utilizados. Finalmente em 2001 com a RFC 3168 [57] estes dois bits foram definidos para permitir notificações de congestionamento na rede a frente (ExplicitCongestion Notification - ECN).

Endereço de origem

Numeração de fragmentos

Versão Comprimento total

32 bits

Protocolo IHL Tipo de Serviço

Identificação Checksum do cabeçalho Endereço de destino Tempo de vida Flags Opções Cabeçalho fixo 20 bytes Header (cabeçalho) Cabeçalho variável 0~40 bytes Dados Payload

Figura 12: Evolução do campo ToS

O campo comprimento total (Total length-16 bits) refere-se ao comprimento total do pacote, incluindo cabeçalho e dados, em octetos. Seu valor máximo é 216_{=65.535 bytes.}

O campo Identificação (Identification – 16 bits) é utilizado para identificar o datagrama. Os fragmentos de um datagrama contêm o mesmo valor de identificação.

O campo Flags (3 bits) contem indicações sobre a fragmentação ou não do datagrama.

 Bit 0: Bit reservado (=0)

 Bit 1: (Don’t Fragment - DF)

o DF = 0 Fragmentação permitida , o DF = 1 Não Fragmentar

 Bit 2: (More Fragments - MF) o MF = 0: Last Fragment, o MF=1: More Fragments.

O campo Numeração dos Fragmentos (Fragment Offset-13 bits) indica onde, no datagrama atual, o fragmento se situa. Este campo contém a Numeração dos Fragmentos em unidades de 8 octetos (64 bits). O primeiro fragmento tem valor zero. Observa-se que podem existir no máximo 213 _{=8192 fragmentos por datagrama.}

O campo Tempo de Vida (Time to Live–TTL - 8 bits) é um contador que indicaum limite para o tempo máximo que é permitido ao datagrama permanecer no ambiente Internet. Gateways e Hosts que processam o datagrama devem decrementar o campo TTL cada vez que umdatagrama passa por eles e devem removê-lo quando seu tempo expirar.

O campo Protocolo (Protocol - 8 bits) indica a que processo de transporte deve ser entregue o datagrama (TCP, UDP, etc.).

O campo Header Checksum (16 bits) verifica apenas o cabeçalho (o campo de dados pode conter erros sem afetar o Checksum). Se o Header Checksum falha o datagrama é

DSCP

ECN

DSCP : Differentiated Service Code Point ECN: Explicit Congestion Notification

DS: Differentiated Services DS (ToS IPv4)

cada trecho. Não há controle de erros para os dados, não há retransmissão, e não há controle de fluxo. Os erros detectados podem ser relatados via Internet Control Message Protocol (ICMP).

O campo Endereço de Origem (Source Address – 32 bits) especifica o endereço do nó transmissor ou de envio do datagrama.

O campo Endereço de Destino (Destination Address – 32 bits) especifica o endereço do nó receptor.

O campo Opções (Options–comprimento variável): campos de envio opcionale implementação obrigatória que pode conter informações de segurança e opções de encaminhamento.

O campo Dados (Data) contém informação originada ou destinada a camadas superiores.

2.6.4 Endereçamento (IPv4)

Observa-se que o cabeçalho do pacote IP possui endereço de origem e endereço de destino, utilizados para encaminhar o pacote internamente a uma rede. Todamáquina conectada à rede deve possuir um endereço. Com 32 bits são possíveis 232 _{= 4.294.967.296 endereços} distintos. Os endereços de rede IP são estruturados para fins de endereçamento. A cada Host em uma rede IP é atribuído um endereço lógico que é estruturado em duas partes principais: a identificação de rede e a identificação de Host. A identificação de rede é atribuída pelo Internet Network Information Center (InterNIC). A identificação do Host é atribuída pelo Administrador de rede local. Máquinas (Hosts ou IMP) conectadas a múltiplas redes IP devem ter um endereço IP para cada rede. Para facilitar a leitura de um endereço de 32 bits pelos administradores ou projetistas de rede, utiliza-se uma notação denominada decimal pontuada. Cada conjunto de 8 bits é separado por pontos, e a leitura é feita na forma decimal, como mostrado na Figura 13.

Figura 13: Notação binária e decimal pontuada

Forma Binária Forma Decimal

pontuada

11000000 10100000 00000111 00000011