Arquiteturas de Redes de Computadores ... Arquitetura de Rede. Arquitetura em Camadas (ou Níveis)

(1)

Arquiteturas de

Redes de Computadores

Profa. Débora Christina Muchaluat Saade

debora@midiacom.uff.br

Departamento de Ciência da Computação - UFF

Redes de Computadores Redes de Computadores

2

Arquitetura de Rede

w Conjunto de convenções para interconexão de

equipamentos

w Número, nome, conjunto de funções e serviços e o

protocolo de cada nível definem uma arquitetura de rede

w Inicialmente, os grandes fabricantes

desenvolveram soluções proprietárias para a

interconexão de seus equipamentos

• IBM - System Network Architecture (SNA)

• DEC - Digital Network Architecture (DNA)

Redes de Computadores

3

Arquitetura em Camadas (ou Níveis)

w Princípio do “Dividir para Conquistar”

w Facilidade de modificação e validação

w Projetar uma rede como um conjunto hierárquico de camadas

• cada nível utiliza os serviços oferecidos pelo nível imediatamente inferior para implementar e oferecer os seus serviços ao nível

imediatamente superior

• o projeto de um nível está restrito a um

contexto específico e supõe que os problemas fora deste contexto já estejam devidamente resolvidos Camada 1 Camada 2 Camada 3 ... Camada n Redes de Computadores 4

Níveis, Protocolos e Interfaces Sistema A Sistema B Interface 1/2 Interface 2/3 Interface 3/4 Nível 1 Nível 1 Interface 1/2 Interface 2/3 Interface 3/4 Protocolo de Nível 3 Protocolo de Nível 2 Protocolo de Nível 1 Nível 2 Nível 2 Nível 3 Nível 3

Nível 4 Protocolo de Nível 4 Nível 4

Interface n-1/n Protocolo de Nível n-1

Nível n-1 Nível n-1

Nível n Protocolo de Nível n Nível n

Interface n-1/n

...

Redes de Computadores 5 Padronização - Vantagens w Preservação de investimentos • segurança de continuidade

• segurança de integração com tecnologias

emergentes

w Maior número de fabricantes

• menor preço

• maior qualidade

• maior competitividade

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Padrões de Arquiteturas de Redes

w Modelo de Referência OSI

w Arquitetura IEEE 802

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Redes de Computadores 7

Organizações Internacionais

de Padronização

Redes de Computadores 8 ANSI X3T9.5 (FDDI) TIA Telecommunications Industries Association (RS-232 ) ISA Instrument Society of America (PROWAY) SME Society of Manufacturers Engineers (MAP & TOP)

ISO/IEC Joint Technical Committees 1 (JTC 1)

on Information Technology ANSI American National Standards Institute ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas DIN Deutsches Institut for Normung BSI British Standards Institute ETSI European Telecommunications Standards Institute ECMA European Computer Manufacturers Association (ECMA-80 ) Companies and Nat. Org. (Cambridge Ring)

...

IEEE Institute of Electrical and Eletronics Engineers

(IEEE 802)

...

9

Elaboração de Padrões ISO

w Organização nacional submete proposta inicial,

denominada WD (Working Document)

w É formado um WG que gera um DP (Draft

Proposal), o DP é divulgado para análise e votação

w Se o DP for aprovado, transforma-se em um DIS

(Draft International Standard) que é divulgado para novo período de análise e votação

w Se o DIS for aprovado se torna um IS

(International Standard)

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ITU (International Telecommunication Union)

w Organização intergovernamental responsável pela

coordenação, desenvolvimento, regulamentação e padronização das telecomunicações, assim como organização de eventos regionais e mundiais

w Dividido em três setores

• ITU-R - Radiocommunication Sector

• ITU-T - Telecommunication Standardization Sector

• ITU-D - Telecommunication Development Sector

Modelo de Referência

OSI

Modelo de Referência OSI

w Necessidade de padrões para interconexão de

sistemas heterogêneos

w Modelo de referência para interconexão de

sistemas abertos

w Definição da estrutura básica para o

desenvolvimento coordenado de padrões ISO 7498

Reference Model for Open Systems Interconnection RM-OSI/ISO

(3)

13

w O modelo de referência OSI concentra-se apenas

na questão de interconexão de sistemas

• transferência de informação (transmissão)

• interoperabilidade (ex. representação de dados,

integridade, segurança, etc.)

w O modelo de referência OSI não especifica

implementação, tecnologia, interconexão de sistemas particulares

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w Open System Interconection

w ISO (International Organization for Standardization)

w ITU (International Telecommunication Union)

• ITU-T - Telecommunication Standardization Sector

w Sete camadas funcionais

15

Camadas do Modelo OSI

Camada 7 Camada 6 Camada 5 Camada 4 Camada 3 Camada 2 Camada 1 Físico Enlace Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação Redes de Computadores 16

w Estrutura em camadas permite o desenvolvimento

simultâneo e independente de padrões

w Interfaces bem definidas permitem que mudanças

no padrão que define uma camada não afetem as demais

w O RM-OSI é complementado com padrões que

especificam o protocolo e o serviço de cada camada

17

Serviços OSI

Um serviço representa um

conjunto de funções oferecidas

a um usuário por um

provedor (ou fornecedor),

acessado através de um SAP

(Service Access Point).

18

Provedores e Usuários de Serviços

Provedor do

Serviço N

usuário do serviço (N) usuário do serviço (N) pontos de acesso ao serviço (N)

(4)

19

usuário do serviço (N)

usuáriodo

serviço (N)

provedor do serviço (N) pontos de acesso ao serviço (N)

entidade da

camada (N) entidade da camada (N)

protocolo da camada (N)

Provedor do

Serviço (N-1)

pontos de acesso ao serviço (N-1)

Camada (N) Camada (N-1) Redes de Computadores 20

usuário do serviço (N)

usuáriodo

serviço (N)

provedor do serviço (N) pontos de acesso ao serviço (N)

entidade da

camada (N) entidade da camada (N)

protocolo da camada (N)

pontos de acesso ao serviço (N-1)

Camada (N) Camada (N-1) provedor do serviço (N-1) entidade da

camada (N-1) camada (N-1)entidade da

protocolo da camada (N-1)

21

Transmissão de Dados no Modelo OSI

Dados Dados A Dados Dados A A Dados A A S Dados A A S T Dados A A S T R E Dados A A S T R E E Dados A A S T R E F F A Dados Dados A A Dados A A S Dados A A S T Dados A A S T R E Dados A A S T R E E Dados A A S T R E F F Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Usuário Transmissor Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Usuário Receptor Redes de Computadores 22

•  SDU: Service Data Unit •  PCI: Protocol Control Information •  PDU: Protocol Data Unit

Unidades de Interface Camada N Camada N-1 (N) SDU PCI (N) PDU (N-1) SDU PCI (N-1) PDU Redes de Computadores 23

Transmissão de Dados no Modelo OSI

Dados Dados A Dados Dados A A Dados A A S Dados A A S T Dados A A S T R E Dados A A S T R E E Dados A A S T R E F F A Dados Dados A A Dados A A S Dados A A S T Dados A A S T R E Dados A A S T R E E Dados A A S T R E F F Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Usuário Transmissor SDU do Nível de Aplicação PDU do Nível de Aplicação SDU do Nível de Apresentação PDU do Nível de Apresentação Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Usuário Receptor Redes de Computadores 24

Camadas do Modelo OSI

Camada 7 Camada 6 Camada 5 Camada 4 Camada 3 Camada 2 Camada 1 Físico Enlace Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação

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IS 3 IS 1 IS 2 IS 4 OSI 1 AB 2 AB 3 AB ES ES A B Redes de Computadores 26 Nível Físico

w Transmissão de bits através de um

canal de comunicação

w Características do meio físico e da

transmissão do sinal • características mecânicas • características elétricas • características funcionais • características procedurais Físico Enlace Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação F F F F F F IS 3 IS 1 F F F IS 4 OSI Físico F F F IS 2 1 AB 2 AB 3 AB ES A Físico ES _B Redes de Computadores 28 Nível de Enlace

w Detecta e opcionalmente corrige erros que por ventura ocorram no nível físico

w Transmissão e recepção de quadros (delimitação)

w Se optar por corrigir

• correção de erro • controle de fluxo Físico Enlace Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação E E E F F F IS 3 E E E F F IS 1 E E E F F F IS 4 F OSI 1 AB 2 AB 3 AB E E E Enlace F F F Físico IS 2 ES A Enlace Físico ES _B E E E F F F IS 3 E E E F F IS 1 E E E F F F IS 4 F OSI 2 AB 3 AB E E E Enlace F F F Físico IS 2 ES A Enlace Físico ES _B 1 AB

(6)

Redes de Computadores 31 Nível de Rede w Roteamento w Controle de congestionamento w Serviços • circuito virtual • datagrama Físico Enlace Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação E R E R R E R F F F IS 4 E R E R R R E F F F IS 3 E R E R R E R F F F IS 1 OSI E R E R R E R Rede Enlace F F F Físico IS 2 1 AB 2 AB 3 AB ES Rede Enlace Físico ES A B E R E R R E R F F F IS 4 E R E R R R E F F F IS 3 E R E R R E R F F F IS 1 OSI E R E R R E R Rede Enlace F F F Físico IS 2 1 AB 2 AB 3 AB ES Rede Enlace Físico ES A B E R E R R E R F F F IS 4 E R E R R R E F F F IS 3 E R E R R E R F F F IS 1 OSI E R E R R E R Rede Enlace F F F Físico IS 2 1 AB 2 AB 3 AB ES Rede Enlace Físico ES A B E R E R R E R F F F IS 4 E R E R R R E F F F IS 3 E R E R R E R F F F IS 1 OSI E R E R R E R Rede Enlace F F F Físico _IS₂ 1 AB 2 AB 3 AB ES Rede Enlace Físico ES A B E R E R R E R F F F IS 4 E R E R R R E F F F IS 3 E R E R R E R F F F IS 1 OSI E R E R R E R Rede Enlace F F F Físico _IS₂ 1 AB 2 AB 3 AB ES Rede Enlace Físico ES A B

(7)

E R E R R E R F F F IS 4 E R E R R R E F F F IS 3 E R E R R E R F F F IS 1 OSI E R E R R E R Rede Enlace F F F Físico IS 2 1AB 2 AB 3 AB ES Rede Enlace Físico ES A B E R E R R E R F F F IS 4 E R E R R R E F F F IS 3 E R E R R E R F F F IS 1 OSI E R E R R E R Rede Enlace F F F Físico IS 2 1 AB 2 AB 3 AB ES Rede Enlace Físico ES A B E R E R R E R F F F IS 4 E R E R R R E F F F IS 3 E R E R R E R F F F IS 1 OSI E R E R R E R Rede Enlace F F F Físico IS 2 1 AB 2 AB 3 AB ES _A Rede Enlace Físico ES B Redes de Computadores 40 Nível de Transporte

w Fornece uma comunicação fim-a-fim verdadeiramente confiável

• detecção e recuperação de erros

fim-a-fim

• controle de fluxo fim-a-fim

w Segmentação e remontagem de mensagens

w Blocagem e desblocagem de mensagens

w Multiplexação e Splitting de conexões Físico Enlace Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação Redes de Computadores 41 Nível de Transporte Rede Enlace Físico Rede Enlace Físico Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Host B Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Host A comunicação fim-a-fim Físico Enlace Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação E R E R R E R F F F IS 4 E R E R R R E F F F IS 3 E R E R R E R F F F IS 1 OSI E R E R R E R Rede Enlace F F F Físico _IS₂ 1 AB 2 AB 3 AB ES _A Rede Enlace Físico ES B Transporte Transporte

(8)

E R E R R E R F F F IS 4 E R E R R R E F F F IS 3 E R E R R E R F F F IS 1 OSI E R E R R E R Rede Enlace F F F Físico IS 2 ES A Rede Enlace Físico ES B Transporte Transporte 2 AB 1 AB 3 AB E R E R R E R F F F IS 4 E R E R R R E F F F IS 3 E R E R R E R F F F IS 1 OSI E R E R R E R Rede Enlace F F F Físico IS 2 ES A Rede Enlace Físico ES B Transporte Transporte Circuito Virtual Redes de Computadores 45 Nível de Sessão w  Controle de Diálogo • pontos de sincronização

• recuperação da sessão em caso de

falhas

w  Gerenciamento de Token

• half-duplex em conexões full-duplex

w  Controle de Atividade

• agrupamento lógico de diálogos

• cada atividade corresponde a uma tarefa que pode ser interrompida e posteriormente retomada Físico Enlace Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação E R E R R E R F F F IS 4 E R E R R R E F F F IS 3 E R E R R E R F F F IS 1 OSI E R E R R E R Rede Enlace F F F Físico IS 2 ES _A Rede Enlace Físico ES B Transporte Transporte Sessão Sessão Redes de Computadores 47 Nível de Apresentação w Permite a interoperabilidade de sistemas heterogêneos

w Coordena a conversão de dados e suas representações • tradução de códigos • compactação de dados • criptografia Físico Enlace Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação E R E R R E R F F F IS 4 E R E R R R E F F F IS 3 E R E R R E R F F F IS 1 OSI E R E R R E R Rede Enlace F F F Físico _IS₂ ES _A Rede Enlace Físico ES B Transporte Transporte Sessão Sessão Apresentação Apresentação

(9)

49

Nível de Aplicação

w  Oferece serviços aos processos de aplicação:

• funções de gerenciamento

• mecanismos genéricos para construção de aplicações distribuídas

–  associação entre um ou mais usuários (ACSE)

–  chamadas a procedimentos remotos (ROSE)

–  transferência confiável de dados (RTSE) • mecanismos específicos para

construção de aplicações distribuídas

–  transferência de arquivos (FTAM) –  serviço de diretórios (DS) –  Correio eletrônico (MHS) Físico Enlace Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação E R E R R E R F F F IS 4 E R E R R R E F F F IS 3 E R E R R E R F F F IS 1 OSI E R E R R E R Rede Enlace F F F Físico IS 2 ES A Rede Enlace Físico ES B Transporte Transporte Sessão Sessão Apresentação Apresentação Aplicação Aplicação Redes de Computadores 51 Perfil Funcional

w Grupos de opções de serviços e protocolos

padronizados

w MAP e TOP

• MAP - Manufacturing Automation Protocols

• TOP - Technical and Office Protocols

w GOSIP (Government OSI Profile)

w POSIG (Perfil OSI do Governo Brasileiro)

Perfis Funcionais MAP e TOP

TOP

Token Bus (IEEE 802.4, ISO 8802-4) ISO Internet Conectionless (DIS 8473)

MAP

CSMA-CD (IEEE 802.3 , ISO 8802-3) Logical Link Control (IEEE 802.2, ISO 8802-2)

ISO Transport Class 4 (ISO 8073) ISO Session (ISO 8372) ISO Presentation (ISO 8823)

ISO Internet Conectionless (DIS 8473) X.25 SNDCP (Subnetwork Dependent Convergence Protocol)

X.25 SNDCP (Subnetwork Dependent Convergence Protocol)

Físico Sessão Aplicação Apresentação Enlace Rede Transporte FTAM (ISO 8571)

Directory Services (ISO 9594) MHS ISO (10021), e VT (ISO 9040)

MMS (Manufac. Messaging Specification) FTAM ISO (DP 8571)

Directory Services (ISO 9594)

ISO Transport Class 4 (ISO 8073) ISO Session (ISO 8372) ISO Presentation (ISO 8823)

Logical Link Control (IEEE 802.2, ISO 8802-2)

Token Ring (IEEE 802.5 , ISO 8802-5)

Arquitetura

IEEE 802

Redes de Computadores 54 Arquitetura IEEE 802 ISO/IEC

Joint Technical Committees 1 (JTC 1) on Information Technology ANSI American National Standards Institute ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

...

IEEE Institute of Electrical and Eletronics Engineers

IEEE Project 802 Local and Metropolitan Area Networks Standards

w IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers

w Conjunto de Padrões para Redes Locais

• LAN – Local Area Networks

• estações estão a poucos

quilômetros umas das outras

(10)

55

Camadas da Arquitetura IEEE 802

Physical Layer (PHY) Medium Access Control (MAC) Logical Link Control (LLC) Redes de Computadores 56 w Transmissão de bits

através de um meio físico • cabo coaxial • par trançado • fibra óptica w Método de codificação w Taxa de Transmissão Camada Física Physical Layer (PHY) Medium Access Control (MAC) Logical Link Control (LLC) Redes de Computadores 57

Camada de Controle de Acesso ao Meio

w  Organização do acesso ao meio físico compartilhado • barra • anel • wireless w  Técnicas • CSMA-CD (802.3) • CSMA-CA (802.11) • Polling (802.15) • Slotted Aloha (802.15.6) Physical Layer (PHY) Medium Access Control (MAC) Logical Link Control (LLC) Redes de Computadores 58

Camada de Controle de Enlace Lógico

w Independência da camada MAC w LSAPs w Multiplexação w Controle de erros e de fluxo Physical Layer (PHY) Medium Access Control (MAC) Logical Link Control (LLC) Redes de Computadores 59 LLC LLC MAC Físico MAC Físico Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Host B Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Host A comunicação fim-a-fim

Arquitetura IEEE 802 (Redes Locais de Computadores)

Físico Enlace Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação Redes de Computadores 60 802.2 802.3 802.11 802.15 Interconexão entre os Padrões 802 (Bridging, VLAN,Prioridade) Padrões IEEE 802.X PHY MAC LLC 802.1

(11)

Redes de Computadores 61 Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico LLC (802.2) MAC Físico Arquitetura OSI Arquitetura IEEE OSI x IEEE 802 Redes de Computadores 62

Arquitetura TCP/IP

(Internet)

Arquitetura TCP/IP (Internet)

w Desenvolvido pelo Departamento de Defesa

Americano (DARPA)

w Padrão de fato

w Evolução da ARPANET

w Começo do projeto no início dos anos 70

w Arquitetura baseada no conceito de interconexão

de redes (inter-redes) Redes de Computadores 64 inter-rede G G G G G Rede 3 Conceito de inter-redes H H H Rede 2 H H Rede 1 H H H Rede 5 Rede 4 Redes de Computadores 65

Por que inter-redes?

w As redes são entidades independentes que se

adequam aos interesses de grupos específicos

w A Internet é um exemplo de inter-rede que

interliga várias redes espalhadas pelos cinco continentes

66

Padronizações na Internet

w Internet Engineering Task Force (IETF)

• dividido em grupos de trabalho (Working Groups)

• documentos propostos e padrões

– request for comments (RFC) – internet-draft

(12)

67

Camadas da Arquitetura TCP/IP

Rede Inter-rede Transporte Aplicação Interface de Rede Intra-Rede ou Hardware Redes de Computadores 68

Nós Intermediários na Arquitetura TCP/IP

Mensagem idêntica Pacote idêntico Roteador Rede Física 1 intra-rede Inter-rede Interface de rede Interface de rede Interface de rede Host A Quadro idêntico Datagrama idêntico Inter-rede Transporte Aplicação Interface de rede Host B Quadro idêntico Datagrama idêntico Inter-rede Transporte Aplicação Rede Física 2 intra-rede Redes de Computadores 69

Internet Protocol (IP)

w Esquema de roteamento entre

redes

w Interconexão e roteamento

através de Gateways

w Endereços IP únicos

designados por uma

autoridade central (ICANN -

The Internet Corporation for Assigned Names and Numbers) Rede Inter-rede Transporte Aplicação Redes de Computadores 70 Endereços IP

w Endereços IP são números de 32 bits (4 bytes)

w Endereçamento hierárquico composto de parte de rede e parte de

host Rede A Rede B Rede Host End. IP na Rede A ≠ End IP na Rede B

Parte comum a todas as estações em uma mesma rede

71

Endereços IP: Notação “de Ponto” 11010000 11110101 00011100 10100011 208 245 28 163 208.245.28.163 Redes de Computadores 72 w Um endereço IP identifica um host em

uma determinada rede

física

• se uma máquina troca de

rede então seu endereço IP muda

• endereços IP não têm

relação com os endereços das estações dentro de cada uma das redes (endereçamento intra-rede). Endereços IP Rede A Rede B End. IP na Rede A ≠ End IP na Rede B

(13)

73

Distribuição de Endereços na Internet

w ICANN - Internet Corporation for Assigned Names and

Numbers

• ARIN - American Registry for Internet Numbers

• Ripe - Ripe Network Coordination Centre

• APNIC - Asian Pacific Network Information Centre

• LACNIC - Latin American and Caribean Network Information Center (responsabilidade do Comitê Gestor da Internet no Brasil - www.cg.org.br)

• AfriNIC - African Network Information Centre

w Estrutura de distribuição dos endereços é hierárquica

• ISPs (Internet Service Providers) distribuem endereços para

seus usuários, que podem ser outros provedores

74

Distribuição de Endereços na Internet

w No Brasil

• Top level ISPs: RNP,

Embratel, ... ICANN LACNIC ISP ISP ISP ISP ISP ... ... ... ... ... Redes de Computadores 75

Internet Protocol (IP)

w Roteamento baseado no

endereço da rede e não do

host

w Serviço sem conexão e não

confiável

• datagrama

w Estrutura interna da rede

“física” transparente Rede Inter-rede Transporte Aplicação Redes de Computadores 76 TCP UDP Inter-rede Aplicação Camada de Transporte Redes de Computadores 77

User Datagram Protocol (UDP)

w Serviço sem conexão e não confiável

• algumas aplicações não precisam

de conexão

• menor tráfego e maior eficiência

w Multiplexação (portas)

• uma aplicação UDP é identificada

por uma determinada porta em uma estação

–  Endereço IP + Porta UDP

Rede Inter-rede Transporte Aplicação Redes de Computadores 78

Multiplexação e Demultiplexação UDP Aplicação 1 IP Aplicação 2 Porta 34 Porta 22 UDP Porta 126

(14)

79

Transmission Control Protocol (TCP)

w Serviço confiável orientado a

conexão (Circuito Virtual) • seqüenciação

• detecção e correção de erros

fim-a-fim

• controle de fluxo

w Multiplexação

• ponto terminal = (Estação, Porta)

• conexão identificada por um par de pontos terminais Rede Inter-rede Transporte Aplicação Redes de Computadores 80 Conexão TCP Conexão = (139.82.17.10, 22) e (139.82.55.3, 2340) TCP IP TCP IP Porta 22 Porta 2340 Host 139.82.17.10 Host 139.82.55.3 Inter-rede TCP/IP Redes de Computadores 81 Aplicação Rede Inter-rede Transporte

Aplicação w Protocolos baseados em TCP

• FTP, SMTP, HTTP, Telnet, ...

w Protocolos baseados em UDP

• DNS, SNMP, DHCP, ...

w Interfaces para programação de aplicações TCP/IP

w Esquema de endereçamento opcional baseado em nomes • DNS (ex: www.midiacom.uff.br) Redes de Computadores 82 OSI x TCP/IP Físico Enlace Rede Transporte Sessão Apresentação Aplicação Rede Inter-Rede Transporte Aplicação OSI TCP/IP Redes de Computadores 83 Físico Enlace OSI x TCP/IP Transporte Sessão Apresentação Aplicação Rede Inter-Rede Transporte Aplicação OSI TCP/IP Rede Redes de Computadores 84

Modelo TCP/IP X OSI

w  Prós: protocolos associados ao modelo TCP/IP

são amplamente usados

w  Contras: camadas mais “restritas” do que no

OSI

w  O modelo OSI é um modelo de referência

w  O modelo TCP/IP define os protocolos para