Arquitetura para o gerenciamento autônomo de QOS em ambientes SDN

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ARQUITETURA PARA O GERENCIAMENTO AUT ˆONOMO DE QOS EM AMBIENTES SDN

Disserta¸c˜ao submetida ao Programa

de Pós-Gradua¸cão em Ciência da Com-puta¸cão para a obten¸cão do Grau de

Mestre em Ciˆencia da Computa¸c˜ao.

Orientador: Prof. Ph.D. Mario Anto-nio Ribeiro Dantas

Coorientador: Prof. Dr. Marcio Bas-tos Castro

Florian´opolis 2017

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Volpato, Felipe

ARQUITETURA PARA O GERENCIAMENTO AUTÔNOMO DE QOS EM AMBIENTES SDN / Felipe Volpato ; orientador, Mario Antonio Ribeiro Dantas, coorientador, Márcio Bastos Castro, 2017.

165 p.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós Graduação em Ciência da Computação, Florianópolis, 2017.

Inclui referências.

1. Ciência da Computação. 2. SDN. 3. OpenFlow. 4. QoS. 5. OVSDB. I. Dantas, Mario Antonio Ribeiro. II. Castro, Márcio Bastos. III. Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação. IV. Título.

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ARQUITETURA PARA O GERENCIAMENTO AUT ˆONOMO DE QOS EM AMBIENTES SDN

Esta Disserta¸cão foi julgada aprovada para a obten¸cão do T´ıtulo de “Mestre em Ciência da Computa¸cão”, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Gradua¸cão em Ciência da Computa¸cão.

Florian´opolis, 04 de setembro 2017.

Prof. Dr. Jos´e Lu´ıs Almada G¨untzel Coordenador do Programa

Prof. Dr. Marcio Bastos Castro Coorientador

Universidade Federal de Santa Catarina Banca Examinadora:

Prof. Ph.D. Mario Antonio Ribeiro Dantas Orientador

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Prof. Dr. Roberto Willrich Universidade Federal de Santa Catarina

Prof. Dr. Frank Augusto Siqueira Universidade Federal de Santa Catarina

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rat´orio LaPeSD, minha namorada e aos meus queridos pais.

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Aos professores Dr. Mario Antonio Ribeiro Dantas, Dr. Marcio Castro, Dr. Frank Augusto Siqueira, Dr. Lau Cheuk Lung e Dra. Vania Bogorny pelas aulas ministradas durante o curso do Mestrado.

Ao Prof. Dr. Mario Antonio Ribeiro Dantas, em especial, pela confian¸ca, pela oportunidade de trabalhar ao seu lado, pelo conheci-mento técnico e cient´ıfico compartilhado, pela experiência de vida pes-soal e acadêmica proporcionada e pelos desafios e projetos propostos no decorrer deste trabalho (excetuando-se a apresenta¸cão surpresa no congresso ISCC). Agrade¸co em especial os incentivos mesmo nas horas dif´ıceis (rejei¸cão do primeiro trabalho submetido).

Ao Prof. Dr. Marcio Castro, em especial, pelo suporte e aux´ılio na edi¸cão e corre¸cão de textos de artigos e disserta¸cão, além das su-gestões de melhorias e novas ideias.

Aos colegas Madalena Pereira da Silva e Marcus Assuiti, pela parceria nos projetos, pelo conhecimento e pela experiˆencia acadˆemica compartilhada.

Aos professores Roberto Willrich e Frank Augusto Siqueira pela troca de conhecimento e sugest˜oes de melhorias para o trabalho durante o Exame de Qualifica¸c˜ao do Mestrado (EQM).

Aos colegas do grupo de pesquisa LaPeSD: Eduardo Camilo Ina-cio, Ivan Luiz Salvadori, Pedro H. Penna, Eliza Helena Areias Gomes, Alexis Armin Huf, Alyson Deives Pereira, Bruno Oliveira, José Roque Betiol Júnior e Ray Willy Neiheiser, pela parceria e principalmente pela experiência de vida e conhecimento compartilhados. O conv´ıvio com os colegas foi fundamental.

Ao Diretor do Instituto Federal Catarinense (IFC) Campus Lu-zerna, Prof. Eduardo Butzen, e ao pr´oprio IFC, pelo incentivo e pelo deferimento da licen¸ca de afastamento integral para cursar o Mestrado. Agrade¸co aos meus pais Celso Volpato e Sueli Volpato pelo in-centivo, apoio, carinho e suporte de sempre.

Mas agrade¸co profundamente a uma pessoa, que é a melhor na-morada do mundo: Sara Fernanda Hilgert, por ter estado o tempo todo ao meu lado (fisicamente ou espiritualmente). Nos momentos mais dif´ıceis, que não foram raros nestes últimos dois anos, sempre me fazendo acreditar que chegaria ao final desta dif´ıcil, porém gratificante etapa.

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far as innovation, provisioning speed, and upgrade speed ? [..] You want networks to be as flexible and as agile as compute is. That’s not the case today, but that’s where we’re going.

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A abordagem de Redes Definidas por Software (SDN) é uma forma ino-vadora para provisionamento e entrega de Qualidade de Servi¸co (QoS), todavia é ainda carente em prover servi¸cos de diferencia¸cão de con-texto. Neste trabalho de pesquisa, uma arquitetura para gerenciamento autônomo de QoS é proposta para fornecer um gerenciamento de QoS com prioriza¸cão de fila em um ambiente SDN. Uma aplica¸cão de rede denominada como Autonomic QoS Broker (AutoQoS) e um módulo de controlador que implementa o Open vSwitch Database (OVSDB) Ma-nagement Protocol, que foram desenvolvidos para validar a arquitetura proposta. Através dos experimentos, verificou-se que os recursos foram fornecidos com uma diferencia¸cão, de acordo com o contexto da Base de Conhecimento (Knowledge Base). A aplica¸cão AutoQoS conseguiu, de maneira satisfatória, gerenciar os fluxos, aumentando a taxa de trans-missão quando poss´ıvel e alterando os caminhos dos fluxos quando os enlaces estavam congestionados ou com problemas de latência.

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The Software Defined Networks (SDN) approach is an innovative way to provision and deliver Quality of Service (QoS), yet it is still lacking in providing context differentiation services. In this research, an auto-nomous QoS architecture is proposed to provide QoS management with queue prioritization in an SDN environment. A network application cal-led Autonomous QoS Broker (AutoQoS) and a controller module that implements the Open vSwitch Database (OVSDB), which were deve-loped to validate the proposed architecture. Through the experiments, it was verified that the resources were provided with a differentiation, according to the context of the Knowledge Base. The application Au-toQoS was able to satisfactorily manage the flows, increasing the baud rate when possible and changing the paths of the flows when the links were congested or with latency problems.

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Figura 1 Usu´arios de Internet por regi˜ao (MURPHY; ROSER, 2017). 30

Figura 2 N´umero total de websites (NETCRAFT, 2017). . . 31

Figura 3 Organiza¸c˜ao conceitual de camadas de rede camadas, adaptado de (COULOURIS et al., 2011). . . 38

Figura 4 Modelo h´ıbrido de cinco camadas, adaptado de ( TANEN-BAUM, 2003). . . 43

Figura 5 Encapsulamento de dados com as camadas do modelo TCP/IP h´ıbrido. . . 44

Figura 6 Tecnologias de Rede e distˆancia de cobertura. . . 45

Figura 7 Conex˜oes ponto-a-ponto e multiponto. . . 48

Figura 8 Exemplos de topologias com com hub, bridge e switch. . 52

Figura 9 Exemplo de topologia com switches e roteador. . . 54

Figura 10 Classes dos meios de transmiss˜ao, adaptado de ( FOROU-ZAN, 2007). . . 55

Figura 11 Comuta¸c˜ao de quadros com switches. . . 60

Figura 12 Topologia com utiliza¸c˜ao do protocolo ARP , endere¸cos MAC e IP. . . 63

Figura 13 Formato do cabe¸calho do IP, (TANENBAUM, 2003). . . 65

Figura 14 Rede dom´estica utilizando NAT. . . 67

Figura 15 Datagrama UDP, adaptado de (FOROUZAN, 2007). . . 71

Figura 16 Cabe¸calho TCP em detalhe, adaptado de (FOROUZAN, 2007). . . 72

Figura 17 Compara¸c˜ao entre redes convencionais e SDN, adaptado de (KREUTZ et al., 2015). . . 78

Figura 18 Arquitetura SDN, adaptado de (ONF, 2014). . . 81

Figura 19 Funcionamento do protocolo OpenFlow, adaptado de (KREUTZ et al., 2015). . . 86

Figura 20 Exemplo de fluxos OpenFlow gerados pelo controlador Floodlight. . . 87

Figura 21 Exemplo de uma sequˆencia de mensagens entre contro-lador Floodlight e switch Openflow. . . 90

Figura 22 Histórico de versões do protocolo Openflow (CHING-HAO; LIN, 2015). . . 95 Figura 23 Associa¸cão de configura¸cões QoS sobre interfaces com o

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autˆonomo, adaptado de (VOLPATO et al., 2017b). . . 104

Figura 25 Funcionamento do cache no m´odulo OFQuality.. . . 107

Figura 26 Diagrama de sequˆencia com funcionalidades do m´odulo OFQuality. . . 108

Figura 27 Modelo entidade-relacionamento de tabelas do protocolo OVSDB. . . 114

Figura 28 Modelo entidade-relacionamento para a Knowledge Base.116 Figura 29 APIs Northbound e Southbound do m´odulo OFQuality.. 118

Figura 30 Cria¸c˜ao de filas com o m´odulo OFQuality. . . 119

Figura 31 Cria¸c˜ao de configura¸c˜ao de QoS. . . 120

Figura 32 Aplicando QoS em uma ou mais portas. . . 121

Figura 33 Um exemplo de QFlow. . . 121

Figura 34 Fluxograma relativo ao Algoritmo 5.4. . . 129

Figura 35 Topologia Mininet (cenário 1), (VOLPATO et al., 2017b). 131 Figura 36 Análise da vazão dos fluxos, (cenário 1) (VOLPATO et al., 2017b). . . 132

Figura 37 An´alise de perda de pacotes para todos os fluxos (cen´ario 1) (VOLPATO et al., 2017b). . . 133

Figura 38 Análise de vazão adicionando latência (cenário 1) ( VOL-PATO et al., 2017b). . . 134

Figura 39 Análise de latência simulada (cenário 1) (VOLPATO et al., 2017b). . . 135

Figura 40 Topologia Mininet (cenário 2) (VOLPATO et al., 2017a). 136 Figura 41 Análise de vazão e MOS com o algoritmo ligado (cenário 2), (VOLPATO et al., 2017a). . . 137

Figura 42 Análise de vazão e MOS com o algoritmo desligado (cenário 2), (VOLPATO et al., 2017a). . . 138

Figura 43 An´alise de perda de pacotes com o algoritmo ligado (cen´ario 2), (VOLPATO et al., 2017a). . . 140

Figura 44 An´alise de perda de pacotes com o algoritmo desligado (cen´ario 2), (VOLPATO et al., 2017a). . . 140

Figura 45 Configura¸c˜ao do ambiente experimental (cen´ario 3), ( VOL-PATO et al., ). . . 142

Figura 46 Análise de vazão para o cenário 3, (VOLPATO et al., ). . . 143 Figura 47 Análise de vazão, com algoritmo desligado, para o cenário

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para o cenário 3 (VOLPATO et al., ). . . 145 Figura 49 Análise de perda de pacotes, para o cenário 3 (VOLPATO et al., ). . . 146

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Tabela 1 Exemplos e caracter´ısticas do modelo OSI.. . . 39

Tabela 2 Vantagens e desvantagens das topologias de rede ( FO-ROUZAN, 2007). . . 50

Tabela 3 Estrutura de um quadro Ethernet. . . 58

Tabela 4 Valores EtherType para alguns protocolos populares ( EAS-TLAKE et al., 2008). . . 59

Tabela 5 Classes de endere¸camento IPv4 com nota¸c˜ao bin´aria e decimal (1o _{octeto), adaptado de (}_FOROUZAN_{, 2007). . . 66}

Tabela 6 Endere¸camento IPv4 para redes privadas. . . 67

Tabela 7 Comparativo entre redes convencionais e SDN . . . 78

Tabela 8 Componentes principais de uma entrada na tabela de fluxo (ONF, 2015). . . 84

Tabela 9 Campos utilizados para correspondˆencia na vers˜ao 1.0 do protocolo OpenFlow (ONF, 2009). . . 91

Tabela 10 Componentes de uma entrada na tabela de grupo (ONF, 2011). . . 92

Tabela 11 Componentes de uma entrada na tabela de grupo (ONF, 2013). . . 94

Tabela 12 Compara¸c˜ao entre trabalhos relacionados. . . 103

Tabela 13 Exemplos de m´etricas de QoS e a¸c˜oes poss´ıveis. . . 109

Tabela 14 Exemplos de pol´ıticas da Knowledge Base . . . 117

Tabela 15 Métodos dispon´ıveis como servi¸co do módulo OFQuality.122 Tabela 16 Análise de código fonte do módulo OFQuality e aplica¸cão AutoQoS. . . 129

Tabela 17 Configura¸cão de fluxos para gera¸cão de tráfego (cenário 1). . . 130

Tabela 18 Exemplos de valores QoS para QoE otimizada, adaptado de (VOLPATO et al., 2017a). . . 136

Tabela 19 Configura¸c˜ao de fluxos para o cen´ario 2 (VOLPATO et al., 2017a), utilizando software Iperf. . . 136

Tabela 20 An´alise final de vaz˜ao dos fluxos, adaptado de (VOLPATO et al., 2017a). . . 139

Tabela 21 An´alise final de perda de pacotes (%). . . 140 Tabela 22 Configura¸c˜ao dos fluxos de sepse, adaptado de (VOLPATO

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ABNT Associa¸c˜ao Brasileira de Normas T´ecnicas ACL Access Control List

ACK Acknowledgement signal API Application Program Interface ARP Address Resolution Protocol

ARPANET Advanced Research Projects Agency Network AutoQoS M´odulo para o gerenciamento autˆonomo de QoS

BAN Body Area Network

BDDP Broadcast Domain Discovery Protocol

BSN Body Sensor Network

CAN Campus Area Network

CIDR Classless Inter-Domain Routing

CSMACD Carrier Sense Multiple Access with Collision De-tection

DDR Double Data Rate

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DiffServ Differentiated services QoS Architecture DSCP Differentiated Services Code Points DSL Digital Subscriber Line

DoD United States Departament of Defense

DNS Domain Name System

e-Health Healthcare practice supported by electronic proces-ses and communication

FTP File Transfer Protocol

GHz Gigahertz

GoD Games on Demand

HFSC Hierarchical Fair Service Curve HTB Hierarchical Token Bucket HTML HyperText Markup Language HTTP Hypertext Transfer Protocol

I/O Input/Output

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ISDN Integrated Service Digital Network ISP Internet Service Provider

IP Internet Protocol

IPv4 Internet Protocol version 4 IPv6 Internet Protocol version 6

IntServ Integrated services QoS Architecture

ISO International Organization for Standardization

KB KiloByte

KB Knowledge-Base

LAN Local Area Network

LGA Land Grid Array

LLDP Link Layer Discovery Protocol

LLDPDU Link Layer Discovery Protocol Data Unit

LTS Long Term Support

MAC Media Access Control

MAPE-K Monitor-Analyze-Plan-Execute over a shared Kno-wledge

MAN Metropolitan Area Network Mbps Megabit per second

MHz Megahertz

MILNET Military Network

MPLS Multiprotocol Label Switching NAT Network Address Translation Net App Network Application

NOS Network Operation System

OF OpenFlow Protocol

OF-CONFIG OpenFlow Management and Configuration Protocol ONF Open Networking Foundation

OFQuality M´odulo para o de gerenciamento de recursos dos switches

OSI Open System Interconnection

OVS Open vSwitch

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PPP Point-to-Point Protocol

QFlow Fluxos especiais para teste de configura¸c˜oes de QoS

QoC Quality of Context

QoS Quality of Service QoS Qualidade de Servi¸co QoE Quality of Experience

REST Representational State Transfer

RFC Request for Comments

SAN Storage Area Network

SCTP Stream Control Transmission Protocol SDN Software-Defined Networking

SDN Redes Definidas por Software

SDNC Controlador SDN

SFD Start Frame Delimiter SIP Session Initiation Protocol SLA Service Level Agreement SMTP Simple Mail Transfer Protocol SPOF Single Point of Failure STP Spanning-Tree Protocol Tbps Terabits per second

TCP Transmission Control Protocol TLS Transport Layer Security TLV Type-length-value

TTL Time to Live

UDP User Datagram Protocol URI Uniform Resource Identifier USB Universal Serial Bus UTP Unshielded Twisted Pair UUID Universal Unique Identifier VLAN Virtual Local Area Network

VM Virtual Machine

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WAN Wide Area Network

WLAN Wireless Local Area Network WMAN Wireless Metropolitan Area Network WPAN Wireless Personal Area Network WWAN Wireless Wide Area Network

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1 INTRODUÇ ÃO . . . 29 1.1 CONTEXTUALIZAÇ ÃO . . . 29 1.2 PERGUNTA DE PESQUISA . . . 34 1.3 OBJETIVOS . . . 34 1.3.1 Objetivo geral . . . 35 1.3.2 Objetivos espec´ıficos . . . 35 1.4 METODOLOGIA . . . 35 1.5 ESCOPO DO TRABALHO . . . 36 1.6 ORGANIZAÇ ÃO DA DISSERTAÇ ÃO . . . 36 2 TECNOLOGIAS DE REDES DE COMUNICAÇ ÃO 37 2.1 CONTEXTUALIZAÇ ÃO . . . 37 2.2 SEPARAÇ ÃO DAS CAMADAS DE REDE . . . 38 2.2.1 O modelo OSI de sete camadas . . . 38 2.2.2 O modelo de Referência TCP/IP . . . 41 2.2.3 O modelo h´ıbrido de cinco camadas . . . 43 2.3 CLASSIFICAÇ ÃO DAS REDES DE COMPUTADORES 45 2.3.1 PAN e WPAN . . . 45 2.3.2 LAN e WLAN . . . 46 2.3.3 MAN e WMAN . . . 46 2.3.4 WAN e WWAN . . . 47 2.3.5 Outras tecnologias . . . 47 2.4 TOPOLOGIAS DE REDES DE COMPUTADORES . . . . 48 2.5 DISPOSITIVOS DE CONEX ÃO DE REDE . . . 49 2.5.1 Dispositivos de redes locais . . . 50 2.5.1.1 Hub . . . 50 2.5.1.2 Repetidor . . . 51 2.5.1.3 Bridge . . . 51 2.5.1.4 Switch . . . 52 2.5.2 Dispositivos de interconexão . . . 53 2.5.2.1 Roteador . . . 53 2.5.2.2 Gateway . . . 53 2.6 TECNOLOGIAS NA CAMADA FÍSICA . . . 54 2.6.1 Meios de transmissão cabeados . . . 55 2.6.2 Meios de transmissão sem fio . . . 56 2.7 TECNOLOGIAS DA CAMADA DE ENLACE . . . 57 2.7.1 A Tecnologia Ethernet . . . 57 2.7.2 Comuta¸cão de quadros . . . 59

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2.7.5 Address Resolution Protocol – ARP . . . 62 2.8 TECNOLOGIAS DA CAMADA DE REDE . . . 63 2.8.1 O Protocolo IPv4 . . . 64 2.8.2 Network Address Translation – NAT . . . 66 2.8.3 O Protocolo IPv6 . . . 68 2.8.4 Internet Message Control Protocol – ICMP . . . 68 2.8.5 Roteamento de pacotes . . . 69 2.9 TECNOLOGIAS DA CAMADA DE TRANSPORTE . . . . 69 2.9.1 User Datagram Protocol – UDP . . . 70 2.9.2 Transmission Control Protocol – TCP . . . 71 2.10 QUALIDADE DE SERVIÇ O . . . 71 2.11 CONSIDERAÇ ÕES FINAIS . . . 73 3 SDN . . . 75 3.1 CONTEXTUALIZAÇ ÃO . . . 75 3.2 O CONCEITO DE REDES SDN . . . 77 3.3 FUNDAMENTOS DE ABSTRAÇ ÃO NAS REDES SDN . 79 3.4 ARQUITETURA SDN . . . 80 3.5 O PROTOCOLO OPENFLOW . . . 82 3.5.1 Configura¸cão de canal do protocolo OpenFlow . . . . 87 3.5.2 Mensagens do protocolo OpenFlow . . . 88 3.5.3 Versões do protocolo OpenFlow . . . 91 3.6 CONSIDERAÇ ÕES FINAIS . . . 95 4 PROPOSTA . . . 97 4.1 CONTEXTUALIZAÇ ÃO . . . 97 4.2 TRABALHOS RELACIONADOS . . . 99 4.3 PROPOSTA DE ARQUITETURA . . . 102 4.3.1 Plano de Controle . . . 105 4.3.2 Plano de Dados . . . 109 4.4 CONSIDERAÇ ÕES FINAIS . . . 110

5 AMBIENTE EXPERIMENTAL E RESULTADOS 111

5.1 AMBIENTE EXPERIMENTAL . . . 111 5.1.1 Emulador de rede e Switch . . . 112 5.1.1.1 Emulador Mininet . . . 112 5.1.1.2 Software Switch OVS . . . 113 5.1.2 A Base de Conhecimento – Knowledge Base . . . 115 5.1.3 Controlador Floodlight e ferramentas

implemen-tadas . . . 117 5.1.3.1 O m´odulo OFQuality . . . 117 5.1.3.2 A Aplica¸c˜ao AutoQoS . . . 122

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5.2.1.1 Análise da vazão e da taxa de perda de pacotes . . . 131 5.2.1.2 Análise de latência simulada . . . 133 5.2.2 Cenário 2 . . . 135 5.2.2.1 Análise de vazão e MOS . . . 137 5.2.2.2 Análise de perda de pacotes . . . 139 5.2.3 Cenário 3 . . . 140 5.2.3.1 Análise de vazão . . . 143 5.2.3.2 Análise de perda de pacote . . . 144 5.3 CONSIDERAÇ ÕES FINAIS . . . 146 6 CONCLUS ÕES E TRABALHOS FUTUROS . . . . 149 6.1 CONCLUS ÕES . . . 150 6.2 TRABALHOS FUTUROS . . . 150 6.3 LIMITAÇ ÕES DO TRABALHO . . . 151 REFER ÊNCIAS . . . 153 AP ÊNDICE A -- Artigos aceitos para publica¸cão . 163

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1 INTRODUC¸ ˜AO

Neste cap´ıtulo será apresentada a contextualiza¸cão do problema e a motiva¸cão de pesquisa. A partir destas são definidos objetivos gerais e espec´ıficos do trabalho. Em seguida serão descritas as atividades realizadas e definido o escopo da disserta¸cão. Por fim será apresentado a organiza¸cão dos cap´ıtulos.

1.1 CONTEXTUALIZAC¸ ˜AO

Inicialmente a maior parte das redes de comunica¸cão eram relati-vas a telefonia, cuja técnica universalmente usada era a comuta¸cão por circuitos. Isto significa a exigência de um caminho de rede dedicado ex-clusivo, e que só é liberado ao finalizar a conexão. Outra caracter´ıstica é que essas redes eram centralizadas, com um grande volume de usuários atrelados a grandes centrais telefônicas.

Por conta disso, por volta dos anos 60, o cientista Paul Baran percebeu que em caso de ataque a uma central de telefonia, boa parte da comunica¸cão de um determinado local ou pa´ıs ficaria indispon´ıvel. Paul Baran apresentou então a ideia de transmitir sinais de telefone em pa-cotes de dados que poderiam viajar pela rede de maneira autônoma, in-dependentemente de poss´ıveis indisponibilidades de determinados tre-chos (GORANSSON; BLACK, 2014). Esta ideia foi incorporada pelo De-partamento de Defesa (DoD) do governo dos Estados Unidos, através da rede experimental conhecida por ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network ) em 1969, que além de experimento também funcionava como um backbone, onde novas aplica¸cões eram testadas (REMOALDO, 1998).

Inicialmente a rede ARPANET era utilizada para conectar as instala¸cões de defesa americanas. Porém, um tempo depois, decidiu-se expandir a rede, permitindo incluir não apenas instala¸cões de defesa, mas também universidades. Foi então que em meados da década de 70, a ARPANET foi dividida em duas redes: uma para uso militar (MILNET) e a ARPANET (para uso não militar) (LOWE, 2016).

Por´em, na medida em que a rede era expandida para outras ´

areas do governo americano, novos desafios de interoperabilidade sur-giam pois os equipamentos eram compostos por diferentes tecnologias (LOWE, 2016). Por conta disso, observou-se a necessidade de se criar um protocolo padr˜ao de interconex˜ao para abstrair os detalhes de

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hard-ware. Nesse contexto surge o modelo de referˆencia em camadas TCP/IP e a rede ARPANET passa a ser conhecida por Internet ou World Wide Web (WWW) (GORANSSON; BLACK, 2014).

Figura 1: Usu´arios de Internet por regi˜ao (MURPHY; ROSER, 2017).

A Internet cresceu de tal maneira ao longo dos anos que a quan-tidade de usuários da rede saltou de aproximadamente 16 milhões em 1995 para 3,366 bilhões em 2015, como pode-se ver na Fig. 1. Além disso, destaca-se que pelo menos 70% da popula¸cão das regiões da América do Norte, Ásia Central e Europa utilizam o servi¸co de In-ternet hoje (MURPHY; ROSER, 2017), o que evidencia a importância (e dependência) cada vez maior da Internet nas sociedades modernas.

Esse crescimento exponencial de usuários está diretamente re-lacionado com o aumento na infraestrutura de rede (cabeamento e equipamento) e de servi¸cos. O site Netcraft, por exemplo, apresenta o histórico do número de websites dispon´ıveis na Internet (de acordo com a Fig. 2).

Outro fator que vem influenciando no aumento do número de usuários na Internet está associado a expansão do uso de dispositivos móveis como tablets e celulares que ao longo do tempo foram se tor-nando mais baratos e com maior poder computacional, tortor-nando-se dispositivos acess´ıveis para a popula¸cão em geral.

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Figura 2: N´umero total de websites (NETCRAFT, 2017).

Existe também a tendência para que objetos (desde carros a máquinas industriais ou bens de consumo como cal¸cados e roupas), possam interagir entre si ou com outros sistemas, através da rede para concluir determinadas tarefas. Nesse contexto surge o termo Internet das Coisas (Internet of Things em inglês, ou IoT), que está diretamente relacionado a expansão do uso do protocolo IPv6, que permitirá que se forne¸ca um IP válido para cada “coisa” (dispositivo). A expectativa é que se tenham bilhões de novos dispositivos conectados à Internet ao longo dos próximos anos.

Por consequência do aumento no número de dispositivos conec-tados à Internet, presencia-se também um aumento na complexidade de manuten¸cão das redes de computadores. Em primeiro lugar, os cus-tos de gerenciamento de rede tendem a aumentar com o maior número de equipamentos, tornando necessária a contrata¸cão de mais recursos humanos. Em segundo lugar, a configura¸cão dos dispositivos de rede ocorre na maioria das vezes de forma manual, tornando suscet´ıvel um maior cometimento de erros humanos relacionados à configura¸cão ou reconfigura¸cão destes dispositivos.

Outro problema comum dos dispositivos de rede atuais é a ca-racter´ıstica de utiliza¸cão de software proprietário, inviabilizando a im-planta¸cão de tecnologias heterogêneas e amarrando usuários e admi-nistradores de rede ao uso de uma solu¸cão tecnológica espec´ıfica. Por conta disso, percebe-se a necessidade de que os recursos humanos se especializem em determinadas tecnologias a fim de que a rede funcione de maneira adequada, acarretando um maior custo operacional.

Neste cenário de tecnologias de rede proprietárias, atualiza¸cões e corre¸cões de software ficam restritos ao suporte do fabricante apenas.

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Ainda, percebe-se a impossibilidade de se desenvolver e testar novos protocolos de rede, uma vez que os dispositivos de rede funcionam em sua maioria como black boxes, ou seja, equipamentos cujo funciona-mento interno n˜ao ´e revelado e portanto dif´ıcil de ser alterado.

Outra caracter´ıstica relevante das redes legadas est´a relacionada `

a distribui¸cão das camadas de rede. Os dispositivos possuem as cama-das de controle e encaminhamento acoplacama-das, o que em outras pala-vras significa dizer que os dispositivos de rede trabalham de maneira autônoma, e portanto, sem uma visão global da rede.

Evidencia-se portanto a necessidade de tornar as redes de com-putadores mais programáveis, possibilitando a inova¸cão nas redes, au-tomatizando e facilitando o gerenciamento e diminuindo barreiras para implementa¸cão de novos servi¸cos. A ideia de programa¸cão de rede não é inédita, e portanto, pode-se organizar um histórico do desenvolvimento e implementa¸cão da programa¸cão de redes em pelo menos três fases (FEAMSTER; REXFORD; ZEGURA, 2014):

1. Redes de computadores ativas (1995-2000): nesta fase é introdu-zida a programa¸cão de rede levando a uma maior inova¸cão; 2. Separa¸cão das camadas (2001-2007): permitiu o desenvolvimento

de interfaces abertas entre as camadas de controle e encaminha-mento;

3. OpenFlow (MCKEOWN et al., 2008) e sistemas operacionais de rede (2007-): representando a primeira ado¸cão generalizada escalável e prática de uma interface aberta com a separa¸cão das camadas de controle e encaminhamento.

O protocolo OpenFlow (OF), considerado uma das primeiras implementa¸cões do conceito de Redes Definidas por Software (SDN) (AZODOLMOLKY, 2013), engloba os conceitos de separa¸cão das cama-das de controle e encaminhamento, movendo o controle para uma en-tidade externa chamada Controlador (SDNC), usufruindo do benef´ıcio da programa¸cão de rede com padrões abertos(MCKEOWN, 2009). Neste cenário, os dispositivos de rede ficam exclusivamente responsáveis pelo encaminhamento.

Paralelo a isso, percebe-se também um aumento na qualidade e conteúdo das aplica¸cões na Internet, o que vem fazendo com que os re-quisitos de experiência dos usuários se mantenham elevados. Servi¸cos de Internet de chamada de voz como Skype e WhatsApp, além de servi¸cos de streaming de v´ıdeo, como Netflix e Youtube, são exemplos de aplica¸cões amplamente utilizadas e sens´ıveis à rede, que podem se

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tornar inutiliz´aveis se mecanismos n˜ao forem usados para garantir que os dados trafeguem satisfatoriamente. Por conta disso, novas aborda-gens de rede precisam ser usadas para garantir o bom funcionamento destes servi¸cos.

Sabe-se que a Qualidade de Servi¸co (QoS) é uma caracter´ıstica essencial nas redes de computadores para fornecer melhores servi¸cos para aplicativos, como telefonia IP e transmissão de v´ıdeo, porém a pro-visão e entrega de Qualidade de Servi¸co (QoS) é um problema clássico de pesquisa, bem divulgado na literatura. A entrega de QoS geralmente ´

e por meio de mecanismos como IntServ, DiffServ, MPLS e essa forma de gerenciamento de QoS causa alguns problemas aparentes, como se-gue:

1. Aloca¸c˜ao fixa de recursos de rede, independentemente do uso do recurso;

2. Configura¸cões manuais complexas e constantes em equipamen-tos de rede (muito por conta de tecnologias heterogêneas e pro-prietárias, citadas anteriormente);

3. Os parâmetros de desempenho da rede só são restaurados após a degrada¸cão da Qualidade de Experiência (QoE);

4. Presta¸c˜ao e entrega de servi¸cos, muitas vezes assumindo a mesma QoS por tipo de aplicativo, independentemente do grau de criti-cidade do usu´ario do servi¸co.

Para solucionar os problemas descritos anteriormente, primeira-mente ´e necess´ario adotar uma arquitetura de rede flex´ıvel, capaz de adaptar-se a diferentes demandas, agindo proativamente no gerenci-amento dos recursos. Neste contexto, a abordagem SDN se encaixa nestes requisitos.

A utiliza¸cão combinada de protocolos de padrão aberto como o OF (responsável pela programa¸cão das tabelas de encaminhamento dos dispositivos de rede), além de protocolos responsáveis pelo gerencia-mento das configura¸cões de dispostivios de rede, como o OpenFlow Ma-nagement and Configuration Protocol (OF-CONFIG) e o Open vSwitch Database Management Protocol (OVSDB), possibilitam o desenvolvi-mento de solu¸cões definitivas para implementa¸cão de pol´ıticas e pro-vimento de QoS de maneira autônoma para servi¸cos sens´ıveis à rede, garantindo o bom funcionamento das aplica¸cões.

Por este motivo, este trabalho propõe uma arquitetura com ca-racter´ısticas autônomas que de maneira pró-ativa agem no

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gerencia-mento dos recursos de QoS em uma rede SDN, tendo como principais contribui¸c˜oes:

• Uma arquitetura de gerenciamento de QoS para um ambiente de rede SDN, com caracter´ısticas autônomas, e desenhada com base no modelo de desenvolvimento de sistemas autônomos (MAPE-K) (COMPUTING et al., 2006). Este modelo engloba as fases de Mo-nitoramento, Análise, Planejamento, Execu¸cão; tais etapas com-partilham uma base de conhecimento (Knowledge-Base), a qual ´

e fundamental para a tomada de decis˜oes;

• Uma aplica¸c˜ao de provisionamento de recuros e QoS chamada Autonomic QoS Broker (AutoQoS), que trabalha na camada de controle SDN, e visa auxiliar na valida¸c˜ao a arquitetura proposta anteriormente;

• A implementa¸cão de um módulo para a camada de controle dos SDNCs, responsável pela configura¸cão de QoS em dispositivos de rede, denominado OFQuality, que implementa uma versão leve do protocolo OVSDB, permitindo a administra¸cão de parâmetros de recursos relacionados a QoS.

Com base na pol´ıtica e no contexto, a aplica¸cão AutoQoS moni-tora o desempenho da rede; Analisa as métricas monitoradas comparando-as com a parametriza¸cão das pol´ıticas; Planeja a¸cões de melhorias e, com o suporte dos módulos de controle, executa as configura¸cões nos recursos da rede, evitando a degrada¸cão de QoE.

1.2 PERGUNTA DE PESQUISA

Este trabalho busca responder a seguinte pergunta: Como pro-ver QoS de maneira autônoma e pró-ativa para determinados servi¸cos sens´ıveis à rede, utilizando uma arquitetura de rede flex´ıvel, programável, escalável, e capaz de adaptar-se a dife-rentes demandas?

1.3 OBJETIVOS

De acordo com a pergunta, esta pesquisa apresenta os objetivos geral e espec´ıficos descritos a seguir.

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1.3.1 Objetivo geral

O objetivo principal desta disserta¸cão é elaborar uma solu¸cão para Redes Definidas por Software capaz de prover Qualidade de Servi¸co de maneira autônoma e pró-ativa para aplica¸cões que são sens´ıveis à rede.

1.3.2 Objetivos espec´ıficos

Os objetivos espec´ıficos dessa disserta¸c˜ao s˜ao:

• Levantamento do estado da arte relacionado a aplica¸c˜oes de pro-visionamento autˆonomo de QoS;

• Defini¸c˜ao de parˆametros de QoS pertinentes ao escopo de Redes Definidas por Software;

• Defini¸cão e contextualiza¸cão de aplica¸cões sens´ıveis a rede; • Elabora¸cão de uma arquitetura de rede capaz de cumprir com o

objetivo geral o trabalho;

• Implementa¸cão de protocolos, aplica¸cões e módulos capazes de validar a arquitetura proposta;

• Disponibilizar c´odigo fonte do trabalho;

1.4 METODOLOGIA

Para atender aos objetivos dessa pesquisa, o seguinte conjunto de etapas ´e realizado:

• Buscar na literatura abordagens sobre o uso de QoS em redes SDN, ferramentas que permitem aplicar QoS em redes SDN e propostas de modelos para gerenciamento autˆonomo de QoS em redes SDN;

• Implementar m´odulo que possibilita configura¸c˜ao de QoS em re-des SDN;

• Desenvolver uma aplica¸c˜ao para o provisionamento autˆonomo de QoS;

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• Realizar experimentos em um emulador de redes SDN, utilizando diferentes plataformas computacionais, topologias de rede, confi-gura¸c˜oes e cargas de trabalho;

• Analisar o resultado dos experimentos, verificando o provimento de QoS no desempenho geral do sistema;

• Construir uma arquitetura de rede capaz de prover QoS de ma-neira autˆonoma e pr´o ativa em um ambiente SDN;

1.5 ESCOPO DO TRABALHO

Considerando os objetivos definidos, este trabalho propõe a aplica¸cão de mecanismos autônomos e pró-ativos para provimento de QoS para aplica¸cões sens´ıveis à rede, utilizando a abordagem de Redes Definidas por Software (SDN) e uma arquitetura baseada no modelo para desen-volvimento de sistemas autônomos, conhecido como MAPE-K. A fim de prover QoS, neste trabalho considerou-se as seguintes métricas de rede: largura de banda, taxa de perda de pacotes e latência.

1.6 ORGANIZAÇ ÃO DA DISSERTAÇ ÃO

Esta disserta¸cão está organizada da seguinte maneira. O segundo cap´ıtulo apresenta fundamentos de redes de comunica¸cão e computado-res. No terceiro fundamentos de SDN. No quarto discute-se a proposta do trabalho e o estado da arte, enquanto no quinto tem-se o ambiente experimental e resultados. No sexto cap´ıtulo a conclusão.

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2 TECNOLOGIAS DE REDES DE COMUNICAÇ ÃO O conceito de Redes Definidas por Software (SDN), principal tema do trabalho, exige do leitor um extenso conhecimento prévio em redes de computadores, disciplina que é ministrada usualmente para estudantes dos cursos de Ciência da Computa¸cão e/ou Engenharia da Computa¸cão. Apesar disso, ao longo deste trabalho o leitor perceberá que o conceito de SDN é aplicável aos mais diversos ambientes. Por consequência, este cap´ıtulo apresenta uma extensa revisão de conceitos e tecnologias de redes de computadores.

Inicialmente tem-se uma contextualiza¸cão histórica das redes de computadores apresentam seus principais fundamentos. Em seguida, são mostradas topologias, dispositivos e tecnologias de redes de co-munica¸cão que serão citados no decorrer desta disserta¸cão. Por fim, discute-se a respeito de Qualidade de Servi¸co (QoS) em redes de com-putadores.

Faz-se necessário relembrar estes tópicos a fim de facilitar a com-preensão da proposta do trabalho e a leitura dos demais cap´ıtulos.

2.1 CONTEXTUALIZAC¸ ˜AO

No in´ıcio só existiam computadores de grande porte, cujo prin-cipal objetivo era o processamento de aplica¸cões cient´ıficas espec´ıficas. Em seguida, com a necessidade de facilitar o acesso aos mesmos, desenvolveu-se a tecnologia de terminais. Com o passar do tempo, a tecnologia de computa¸cão foi tornando-se mais barata, o que proporcionou o aumento no número de dispositivos. Neste contexto surge a ideia de interconec-tar os computadores a fim de ampliar o poder de processamento dos mesmos, além de prover mecanismos de comunica¸cão.

Porém, a interconexão de computadores apresentava-se como um desafio complexo, uma vez que os dispositivos na época eram compos-tos de tecnologias heterogêneas. Inicialmente, cada fabricante criava o seu próprio padrão, tornando assim, imposs´ıvel a comunica¸cão entre equipamentos de diferentes fabricantes.

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2.2 SEPARAC¸ ˜AO DAS CAMADAS DE REDE

Neste contexto de equipamentos heterogêneos, desenvolveu-se a estratégia da separa¸cão de camadas de rede. O principal objetivo dessa estratégia foi o de ”esconder”as diferen¸cas de hardware dos diversos fabricantes, do software de alto n´ıvel, o que levou à cria¸cão de várias camadas de rede, sendo a camada inferior mais dependente do hardware e as demais mais independentes. Assim, as aplica¸cões poderiam ser escritas uma vez, e rodar em hardwares de rede distintos (HUGHES, 2010).

Uma camada de rede é representada por um módulo de software em cada computador conectado à rede. Assim, cada camada possui responsabilidades espec´ıficas e bem determinadas. Logicamente cada camada de um n´ıvel de um computador se comunica diretamente com seu correspondente no outro computador, mas na realidade, essa comu-nica¸cão não é direta. Ao invés disso, uma camada provê servi¸cos para a próxima camada superior, e recebe servi¸cos da camada imediatamente inferior a ela (MARSIC, 2010), (COULOURIS et al., 2011). A Figura 3 ilustra uma comunica¸cão de rede utilizando o conceito de camadas.

Figura 3: Organiza¸c˜ao conceitual de camadas de rede camadas, adap-tado de (COULOURIS et al., 2011).

Neste cenário, duas formaliza¸cões de modelos de separa¸cão de camadas de rede foram definidos e merecem destaque: o modelo de referência OSI de sete camadas, e o modelo de referência TCP/IP de quatro camadas, que serão detalhados a seguir.

2.2.1 O modelo OSI de sete camadas

O modelo OSI (Open System Interconnection), de sete camadas, também é conhecido por modelo de referência ISO (International

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Or-ganization for Standardization). Este modelo foi criado através de um comitê internacional, chegando até a ser definido como padrão oficial pelo governo americano (COMER, 2008). Trata-se de uma estrutura para a defini¸cão de protocolos e não uma defini¸cão de um conjunto de protocolos espec´ıficos.

Esse modelo foi definido com a inten¸cão de ser um primeiro passo em dire¸cão à padroniza¸cão internacional dos protocolos empregados nas diversas camadas (TANENBAUM, 2003). Essa padroniza¸cão forneceria uma alternativa aos sistemas independentes fechados da computa¸cão tradicional da época, que eram projetados sem considerar a interco-nexão de uns com os outros (RUSSELL, 2013).

O termo protocolo é usado para designar um conjunto bem co-nhecido de regras e formatos a serem usados na comunica¸cão entre pro-cessos a fim de realizar uma determinada tarefa. Protocolos bem defi-nidos possibilitam que sua implementa¸cão ocorra em diferentes lingua-gens de programa¸cão e plataformas e sua implementa¸cão é necessária tanto no computador de origem quanto no recebedor de uma determi-nada mensagem (COULOURIS et al., 2011).

Ficou definido que para uma determinada tecnologia obedecer ao modelo OSI, deve existir um protocolo espec´ıfico em cada um dos sete n´ıveis, ou camadas, definidos pelo modelo (COULOURIS et al., 2011). A Tabela 1 a seguir apresenta o resumo das caracter´ısticas das camadas do modelo OSI e exemplos de protocolos.

Tabela 1: Exemplos e caracter´ısticas do modelo OSI.

Camada Caracter´ıstica Exemplos

Aplica¸c˜ao Requisitos de comunica¸c˜ao de aplicativos. HTTP, FTP, SMTP

Apresenta¸cão Representa¸cão de rede independente. Seguran¸ca TLS Sessão Confiabilidade e adatapta¸cão. SIP

Transporte Endera¸camento para portas de comunica¸c˜ao. TCP, UDP Rede Transferˆencia de pacotes de dados entre

computado-res.

IP

Enlace Transmissão de quadros entre nós que estão direta-mente conectados por um enlance f´ısico.

MAC Ethernet, PPP

F´ısica Circuitos e hardware. Transmite sequências de dados binários através de sinaliza¸cão analógica.

Sinaliza¸c˜ao de banda base Ether-net, ISDN

Analisando as camadas de baixo para cima, a camada f´ısica no modelo OSI é responsável por manipular a transmissão de bits brutos através de um link de comunica¸cão. A camada de enlace, por sua vez, agrupa um fluxo de bits, gerando o que denomina-se um ”quadro”. A camada de rede manipula o roteamento entre nós dentro de uma

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rede de comuta¸cão de pacotes. Nesta camada, a unidade de dados trocados entre os nós é normalmente chamada de pacote em vez de um quadro, embora sejam fundamentalmente a mesma coisa. A camada de transporte, em seguida, implementa um canal fim-a-fim entre dois nós. Aqui, a unidade de dados trocados é comumente chamada de mensagem em vez de pacote ou quadro.

A camada de sessão, porém, tem o objetivo de fornecer gerência de conexão entre duas aplica¸cões (e não dois nós), provendo ainda o mecanismo de seguran¸ca, autentica¸cão e sincronismo entre as partes. Acima disso, a camada de apresenta¸cão está preocupada com o formato dos dados trocados entre as partes, por exemplo, se um número inteiro é de 16, 32 ou 64 bits e se o bit mais significativo é transmitido pri-meiro ou por último. Finalmente, tem-se os protocolos de camada de aplica¸cão, como por exemplo o File Transfer Protocol (FTP), que de-fine um protocolo pelo qual os aplicativos de transferência de arquivos podem interoperar (PETERSON; DAVIE, 2003).

´

E importante lembrar que as três camadas inferiores (f´ısica, en-lace e rede) são implementadas em praticamente todos os nós de rede, incluindo switches dentro da rede e nós conectados em redes externas. Já a camada de transporte e as camadas mais altas normalmente são executadas apenas nas unidades finais, como por exemplo um compu-tador pessoal, e não nos switches intermediários ou roteadores ( PETER-SON; DAVIE, 2003).

Uma das contribui¸cões que trazidos pelo modelo OSI foi a dis-tin¸cão entre servi¸cos, interfaces e protocolos. No modelo OSI, cada camada executa alguns servi¸cos para a camada acima dela. A defini¸cão do servi¸co informa o que a camada faz, e não a forma como as entida-des acima dela o acessam ou como a camada funciona. Essa defini¸cão estabelece a semântica da camada. Já a interface de uma camada in-forma como os processos acima dela podem acessá-la e especifica quais são os parâmetros e os resultados a serem esperados, não revelando o funcionamento interno da camada. Por último, os protocolos utilizados em uma camada são de responsabilidade dessa camada, que pode usar os protocolos que quiser, desde que eles viabilizem a realiza¸cão de um determinado trabalho (TANENBAUM, 2003).

O modelo OSI mostrou-se útil para a discussão das redes de computadores. Entretanto, a frustra¸cão com o lento desenvolvimento do OSI se aprofundou com o tempo e, em meados da década de 1990, o projeto terminou. O problema principal se deve ao compromisso que o modelo OSI tinha com a abertura. As regras formais para a padroniza¸cão internacional davam a qualquer parte interessada o

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di-reito de participar do processo de desenvolvimento, acarretando assim em lentidão, burocracia e visões técnicas incompat´ıveis. Centenas de engenheiros participaram das reuniões dos vários comitês e grupos de trabalho do OSI, e os procedimentos burocráticos utilizados para es-truturar as discussões não permitiram a rápida produ¸cão de padrões. E assim, a abertura e a modularidade - os principais princ´ıpios para a coordena¸cão do projeto - acabaram por selar o destino do modelo de referência OSI (RUSSELL, 2013).

2.2.2 O modelo de Referˆencia TCP/IP

O modelo de referência TCP/IP, também conhecido por modelo Internet, surgiu a partir de experiências realizadas na rede ARPANET do Departamento de Defesa (DoD) dos Estados Unidos. A ARPANET foi a primeira rede operacional de computadores à base de comuta¸cão de pacotes. Inicialmente a rede ARPANET era utilizada para conectar as instala¸cões de defesa americanas. Porém, um tempo depois, decidiu-se expandir a rede, permitindo incluir não apenas instala¸cões de defesa, mas também universidades. Foi então que em meados da década de 1970, a ARPANET foi dividida em duas redes: uma para uso militar (MILNET) e a ARPANET (para uso não militar) (LOWE, 2016).

Ao longo dos anos as universidades e reparti¸cões públicas ameri-canas foram sendo interconectadas, usando linhas telefônicas dedicadas. Entretanto, na medida em que conexões de rádio e satélite come¸caram a ser usadas, surgiram problemas relacionados aos protocolos existentes das diferentes tecnologias, o que for¸cou a cria¸cão de uma nova arquite-tura de referência. Desse modo, a habilidade para conectar várias redes de maneira uniforme foi um dos principais objetivos de projeto, desde o in´ıcio (TANENBAUM, 2003).

Outro ponto interessante levantado por Tanenbaum em ( TANEN-BAUM, 2003), disserta a respeito da preocupa¸cão do DoD com rela¸cão aos seus hosts, roteadores e gateways de interconexão de redes na eminência de uma poss´ıvel destrui¸cão em fun¸cão de ataques de pa´ıses inimigos.

Sendo assim, o modelo de referência deveria proporcionar que a rede pudesse sobreviver à perda do hardware de sub-redes, e as conexões permanecessem intactas enquanto as máquinas de origem e de destino estivessem funcionando, mesmo que algumas máquinas ou linhas de transmissão intermediárias deixassem de operar repentina-mente. Portanto, era necessária uma arquitetura flex´ıvel, capaz de se

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adaptar a aplica¸cões com requisitos divergentes como, por exemplo, a transferência de arquivos e a transmissão de dados de voz em tempo real.

Mais tarde, a experiência adquirida através do modelo TCP/IP, na ARPANET veio a inspirar o surgimento do modelo de referência OSI de sete camadas, o que explica a influência que o modelo TCP/IP tem sobre o modelo ISO (PETERSON; DAVIE, 2003).

A camada de Aplica¸cão, no modelo TCP/IP engloba a quinta, sexta e sétima camadas do modelo OSI. Implementa os protocolos mais familiares aos usuários, como por exemplo o protocolo HTTP. Nessa camada, os protocolos de comunica¸cão de dados trabalham em n´ıvel processo-a-processo, fazendo chamadas locais ao Sistema Operacional para ter acesso às ”sockets APIs”(Application Program Interface), para gerar fluxos de dados, que serão enviados via TCP ou UDP através da camada inferior (transporte) (HUGHES, 2010).

A camada de Transporte do modelo TCP/IP, referente à quarta camada do modelo OSI, implementa os protocolos TCP e UDP e adi-ciona os cabe¸calhos necessários (por exemplo, cabe¸calho TCP), aos dados passados pela camada de Aplica¸cão. Já a camada Internet, que referencia a terceira camada no modelo OSI, implementa o protocolo IP e outros relacionados, como por exemplo o ICMP. É adicionado um cabe¸calho IP nos dados enviados pela camada superior (camada de Transporte), e em seguida encaminha esses dados para a próxima camada inferior (HUGHES, 2010).

Por fim, a camada de Rede do modelo TCP/IP, que engloba a primeira e segunda camadas do modelo OSI, implementa protoco-los como o ARP que converte endere¸cos IP em endere¸cos MAC. Nesta camada est˜ao presentes tamb´em rotinas para ler e escrever dados (pas-sados pelas camadas superiores), no meio f´ısico. Tem como exemplo de sa´ıda, um pacote Ethernet que utiliza endere¸co MAC.

Com o tempo, foi ficando claro que a tecnologia proposta pelo modelo TCP/IP era tecnicamente superior ao proposto no modelo OSI, de maneira que no decorrer dos anos cada vez menos falou-se no modelo OSI(COMER, 2008), que foi concebido antes de os protocolos correspon-dentes terem sido criados. Ja no modelo TCP/IP, os protocolos vieram primeiro, e portanto, n˜ao tiveram problemas para se adaptar ao modelo (TANENBAUM, 2003).

Embora o modelo TCP/IP n˜ao tenha sido projetado para uso comercial, d´ecadas de subs´ıdios governamentais para sua pesquisa fi-nalmente criaram uma vantagem comercial distinta: os protocolos da Internet poderiam ser implementados gratuitamente, diferentemente do

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modelo OSI, que obrigava as empresas de solu¸cões de redes a pagar por cópias f´ısicas de padrões ISO.

Marc Levilion, engenheiro da IBM France, em uma entrevista de 2012, exemplificou: “De um lado você tem algo que é gratuito, dis-pon´ıvel, você só precisa carregá-lo. E do outro lado, você tem algo que ´

e muito mais arquitetado, muito mais completo, muito mais elaborado, mas é caro. Se você fosse um diretor de computa¸cão em uma empresa, o que você escolheria? ”, (RUSSELL, 2013).

2.2.3 O modelo h´ıbrido de cinco camadas

Alguns autores divergem do modelo TCP/IP inicial e apresen-tam um modelo de referência h´ıbrido de cinco camadas. A maior di-vergência é a respeito da camada 1 do modelo OSI (a camada F´ısica). Vários autores incorporam as camadas 1 e 2 do modelo OSI no mo-delo TCP/IP (COULOURIS et al., 2011), (TANENBAUM, 2003), (COMER, 2008),(KUROSE; ROSS, 2006), (FOROUZAN, 2007). Isso resultou em um modelo com cinco camadas, onde a camada de acesso à rede é dividida nas camadas 1 e 2 do modelo OSI, como ilustra a Figura 4.

Figura 4: Modelo h´ıbrido de cinco camadas, adaptado de ( TANEN-BAUM, 2003).

Já a Fig. 5, ilustra exemplos de protocolos utilizados e o pro-cesso de encapsulamento de dados conforme o modelo TCP/IP h´ıbrido. A ideia é que toda a informa¸cão de uma camada superior seja encap-sulada e juntada ao cabe¸calho da camada atual. Ao final do processo de encapsulamento, os dados são enviados através de bits na camada F´ısica, e ao chegar ao destino é realizado o procedimento inverso, ou

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seja, os dados são desencapsulados até chegar a camada da Aplica¸cão. No modelo h´ıbrido, as mensagens trocadas entre as camadas de Rede, isto é a camada 3, são denominadas pacotes, enquanto as mensa-gens trocadas entre as camadas de Enlace (camada 2), são denominadas de quadros. Esse modelo h´ıbrido parece mais adequado pois facilita e simplifica a explica¸cão das tecnologias e protocolos de Rede, e será usado no decorrer desta disserta¸cão.

Entretanto, no conceito de Redes Definidas por Software (SDN), que será visto no próximo cap´ıtulo, os equipamentos de rede trabalham em quase todas as camadas, e a mensagem não é mais chamada de pacote ou quadro mas de “fluxo”, e por isso é importante fazer esta distin¸cão a fim de esclarecer e evitar poss´ıveis confusões com os termos utilizados.

Figura 5: Encapsulamento de dados com as camadas do modelo TCP/IP h´ıbrido.

A seguir, se faz necessária uma breve introdu¸cão a respeito da classifica¸cão das redes de computadores. Na sequência, serão apresen-tados as topologias, os dispositivos de rede, os conceitos e as tecnologias relativas às camadas do modelo h´ıbrido apresentado nesta se¸cão, ini-ciando pela camada inferior, a camada F´ısica, até a última camada, a camada da Aplica¸cão.

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2.3 CLASSIFICAC¸ ˜AO DAS REDES DE COMPUTADORES

Uma rede de computador pode ser definida como “uma malha de elementos de rede, comumente conhecidos como nós de rede, conec-tados entre si através da um meio de comunica¸cão”. Esses nós de rede podem estar nas extremidades da malha, caso em que eles são comu-mente conhecidos como clientes ou no meio da rede como elementos transmissores (KIZZA, 2015), que serão detalhados na próxima se¸cão.

Várias são as formas de classificar as redes de computadores, podendo ser de acordo com as distâncias através das quais os dados são transmitidos, as aplica¸cões de cada grupo de tecnologia, a latência ou largura de banda associada a cada tecnologia. A Figura 6 ilustra as tecnologias de rede e suas respectivas áreas de cobertura (COMER, 2008), (TANENBAUM, 2003) e (COULOURIS et al., 2011).

Figura 6: Tecnologias de Rede e distância de cobertura. No próximo cap´ıtulo será apresentado o tema de Redes Definidas por Software (SDN), e por conta disso, a classifica¸cão das Redes de Computadores é relevante uma vez que a abordagem SDN pode ser implementada nos mais diversos contextos, como por exemplo, em um ambiente residencial, grandes empresas, centros de processamento de dados, aplica¸cões hospitalares, universidades, entre outros (KREUTZ et al., 2015).

2.3.1 PAN e WPAN

A tecnologia PAN (Personal Area Network ), ou na tradu¸cão li-teral “rede de área pessoal”, se refere às redes domésticas de curta distância, utilizando por exemplo um cabo USB (Universal Serial Bus).

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Sua varia¸cão sem fio WPAN (Wireless Personal Area Network ), é mais conhecida e utilizada principalmente para conectar dispositivos pes-soais como celulares, tablets, câmeras, fones de ouvido, entre outros. A tecnologia WPAN está comumente associada à tecnologia Bluetooth (padrão IEEE 802.15.1) (COULOURIS et al., 2011), utilizada em curtas distâncias, com largura de banda pequena (0.5-2 Mbps) e baixa latência (5-20 ms).

2.3.2 LAN e WLAN

A tecnologia LAN (Local Area Network ), ´e comumente associada `

a tecnologia Ethernet (padrão IEEE 802.3). Como nas PANs, também está presente em um ambiente doméstico, além de diversas áreas como empresas, escritórios, indústrias e até em ambientes hospitalares. Têm como caracter´ıstica largura de banda máxima alta (10-10000 Mbps) e baixa latência (1-10 ms). A sua varia¸cão, a tecnologia WLAN (Wireless Local Area Network ), representa a especifica¸cão IEEE 802.11 e suas variáveis. A WLAN foi desenvolvida de tal maneira, que facilmente pode trabalhar junto com a Ethernet. A utiliza¸cão de uma WLAN combina comunica¸cão de dados com mobilidade dos usuários dentro da ´

area de cobertura da rede, que pode atingir algumas centenas de metros (COULOURIS et al., 2011).

2.3.3 MAN e WMAN

O padrão MAN (Metropolitan Area Network ) de rede baseia-se em cabeamento de cobre e fibra óptica de alta largura de banda e que é constantemente utilizada em cidades para a transmissão de v´ıdeo, voz e outros dados em distâncias de até 50 quilômetros. Uma variedade de tecnologias foram usadas para implementar o roteamento de dados em MANs, que vão de Ethernet a ATM. A varia¸cão sem fio, isto é, a tecnologias WMAN (Wireless Metropolitam Area Network ) permite aos utilizadores estabelecer liga¸cões sem fio entre as diferentes localiza¸cões numa área metropolitana (por exemplo, entre vários edif´ıcios numa cidade ou num espa¸co universitário), sem os custos elevados de instalar fibras ópticas ou cabos de cobre e linhas dedicadas. A fam´ılia WMAN cobre grandes áreas e tem como principal tecnologia o WiMax, seguindo o padrão IEEE 802.16 (COULOURIS et al., 2011).

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2.3.4 WAN e WWAN

Uma rede WAN (Wide Area Network ) carrega mensagens a ve-locidades mais baixas entre nodos que são muitas vezes em diferentes organiza¸cões e podem ser separados por grandes distâncias. Eles po-dem estar localizados em diferentes cidades, pa´ıses ou continentes. O meio de comunica¸cão é um conjunto de circuitos de comunica¸cão que ligam um conjunto de computadores dedicados chamados roteadores. Eles gerenciam a rede de comunica¸cão e roteiam mensagens ou pacotes para seus destinos.

Na maioria das redes, as opera¸cões de roteamento apresentam um atraso em cada ponto da rota, de modo que a latência total para a transmissão de uma mensagem depende da rota que segue e o tráfego carrega nos vários segmentos de rede que ela atravessa. Nas redes atuais, essas latências podem atingir 0,1 a 0,5 segundos. As velocidades de até 600 Mbps são comumente dispon´ıveis, mas as velocidades de 1-10 Mbps são mais tipicamente experientes para transferências em massa de dados.

O padrão sem fio da tecnologia WAN é conhecido por Wireless Wide Area Network (WWAN). As redes sem fio de longo alcance in-cluem ondas de rádio (AM), tecnologia de microondas via satélite, ou via telefonia móvel, isto é, que utilizam a infraestrutura de rede das operadoras de telecomunica¸cões. Devido ao grande número de disposi-tivos móveis na atualidade, estas redes possuem uma grande cobertura e representam a tecnologia de longo alcance sem fio mais utilizada no momento (COULOURIS et al., 2011).

2.3.5 Outras tecnologias

Existem ainda outras tecnologias de rede, que também merecem destaque. A arquitetura Body Sensor Network (BSN), também conhe-cida por Body Area Network (BAN), por exemplo, é formada por redes de sensores corporais que viabilizam novos avan¸cos tecnológicos com o aux´ılio de sensores vest´ıveis de monitora¸cão inteligente, que possuem as caracter´ısticas de leveza, porte pequeno e com consumo energético baixo.

Nestas redes, os sensores monitoram continuamente as ativida-des e a¸cões fisiológicas humanas, como estado de saúde e padrões de movimento. Podem ser implantados ou incorporados ao corpo humano com o objetivo de prover estat´ısticas que visem auxiliar na qualidade

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de vida dos indiv´ıduos (CHEN et al., 2011).

A fim de lidar com grandes quantidades de dados, definiu-se a ar-quitetura Storage Area Network (SAN), em outras palavras, tecnologia de redes de armazenamento. Nessa arquitetura, os discos de armazena-mento não conectam-se com servidores ou hosts clientes diretamente, mas conectam-se entre si formando uma rede de armazenamento que pode ser acessada pelos servidores, provendo maior seguran¸ca uma vez que a rede de armazenamento fica escondida dos clientes (GUPTA, 2002). Situada entre uma LAN e uma MAN, a tecnologia de Campus Area Network (CAN), provê a interconexão de computadores situados em prédios diferentes em um mesmo campus ou unidade fabril, tendo como raio de extensão até 5 Km (KUROSE; ROSS, 2006).

2.4 TOPOLOGIAS DE REDES DE COMPUTADORES

Pode-se dizer que uma rede é formada por dois ou mais dispo-sitivos conectados através de um link, sendo que um link nada mais é do que uma via de comunica¸cão que transfere dados de um dispositivo para outro. Para que a comunica¸cão ocorra, dois dispositivos devem estar conectados de alguma forma ao mesmo link ao mesmo tempo. Existem dois tipos poss´ıveis de conexões: ponto-a-ponto e multiponto (ver Figura 7) (FOROUZAN, 2007).

Conex˜ao ponto-a-ponto.

Conex˜ao multiponto. Figura 7: Conex˜oes ponto-a-ponto e multiponto.

Uma conexão ponto-a-ponto fornece uma liga¸cão dedicada entre dois dispositivos. Toda a capacidade do link é reservada para trans-missão entre esses dois dispositivos, já a conexão multiponto é aquela em que mais de dois dispositivos espec´ıficos compartilham um único link. Em um ambiente multiponto, a capacidade do canal é

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comparti-lhada, seja de maneira simultânea (spatially) ou em turnos (timesha-red ). Além disso, dois ou mais links formam uma topologia, que sig-nifica uma representa¸cão geométrica do relacionamento dos links e dos nós. Existem quatro tipos básicos de topologias: estrela (star ), barra-mento (bus), e anel (ring) e malha (mesh) (FOROUZAN, 2007).

Na topologia do tipo estrela, cada nó da rede tem uma conexão ponto-a-ponto com um elemento centralizador. Os dispositivos não são ligados diretamente um com o outro. Sempre que um nó precisar falar com o outro, a mensagem será primeiro encaminhada ao centralizador e na sequência o centralizador enviará a mensagem ao nó de destino. A topologia de barramento trabalha com conexões multiponto. Um longo cabo age como um backbone para conectar todos os dispositivos em uma rede. Ela foi uma das primeiras topologias utilizadas no design de redes locais. Na topologia de malha, cada dispositivo possui uma conexão ponto-a-ponto dedicada para com cada outro dispositivo (FOROUZAN, 2007).

A quantidade de links totais em uma topologia de malha é dada pela fórmula: n(n − 1)/2, onde n é o número de nós. Por conta da grande quantidade de conexões entre os nós, é necessário que os nós tenham uma quantidade grande de portas de entrada e sa´ıda (I/O). Já na topologia anel, também com conexões do tipo ponto-a-ponto cada, cada nó possui apenas conexão com os nós adjacentes. O sinal é passado ao longo do anel por apenas uma dire¸cão, passando dispositivo por dispositivo até chegar ao destino final. A Tabela 2, apresenta algumas vantagens e desvantagens de cada topologia (FOROUZAN, 2007).

2.5 DISPOSITIVOS DE CONEX ˜AO DE REDE

Existem vários elementos de transmissão nas redes de computa-dores. Em uma pequena rede, como uma LAN, os nós são conectados entre eles através de dispositivos especiais de conexão e condu¸cão que levam o tráfego da rede de um nó para outro.

Já redes maiores, como a Internet, estão conectadas a outros dispositivos de rede intermediários especiais para que possa funcionar como uma única grande rede (KIZZA, 2015). Esses dispositivos podem ser divididos em dois tipos: dispositivos de redes locais (hub, repetidor, bridge e switch) e dispositivos de interconexão (roteadores e gateways). Mais á frente, no cap´ıtulo 3, será visto que na verdade, em uma abordagem de rede SDN os dispositivos de rede possuem todos a mesma funcionalidade, diferentemente do que acontece nas redes legadas. Por

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Tabela 2: Vantagens e desvantagens das topologias de rede ( FOROU-ZAN, 2007).

Topologia Vantagens Desvantagens

Estrela Mais barata que rede em malha, ne-cess´ario menos links para que os n´os possam se comunicar entre eles.

Dependˆencia da rede no ponto centrali-zador

Facilita a instala¸cão, a reconfigura¸cão, a deteçcão de faltas e a isola¸cão de um link problemático

Robustez, se um link cair, apenas este ser´a afetado

Barramento Facilidade na instala¸c˜ao Uma falta no barramento afeta todos os n´os

Necessita menos cabos que redes em malha e estrela

Dificuldade na reconex˜ao e na isola¸c˜ao de problemas

Limita¸cão de tráfego, variando de acordo com o tamanho do anel Anel Facilidade na instala¸cão e

reconfi-gura¸cão. A adi¸cão de novos nós requer poucas mudan¸cas

Uma quebra no anel pode desabilitar a rede inteira

Malha Uso de links dedicados garantem que cada conex˜ao flexibilize a sua carga de dados

Quantidade de cabeamento e ao n´umero de portas de I/O necess´arias Robustez. Se um link se tornar

inuti-lizável, não é afetará todo o sistema Maior privacidade e seguran¸ca. Apenas o destinatário previsto vê a mensagem

conta disso, é relevante que se tenha uma revisão dos conceitos à res-peito de caracter´ısticas de funcionamento desdes dispositivos legados.

2.5.1 Dispositivos de redes locais

Como as redes locais s˜ao redes menores, os dispositivos que co-nectam as LANs possuem menos funcionalidades e poder de processa-mento que os dispositivos de interconex˜ao.

2.5.1.1 Hub ´

E o dispositivo mais simples na fam´ılia de dispositivos de conexão de redes, trabalhando na camada de rede, conectando os componentes da LAN com protocolos idênticos. O hub recebe dados vindos de um host e os transmite às outras máquinas. Quando faz isso, o hub ocupa o meio f´ısico fazendo com que nenhum outro computador consiga enviar sinal. Existem basicamente dois tipos de hubs: hubs de porta simples

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ou de m´ultiplas portas. Os hubs de rede s˜ao projetados para trabalhar com adaptadores de rede e cabos e normalmente podem ser executados em 10 ou 100 Mbps, com alguns funcionando em ambas as velocidades (KIZZA, 2015).

2.5.1.2 Repetidor

Um repetidor de rede é um dispositivo de comunica¸cão local, fun-cionando na camada f´ısica da rede, que recebe sinais de rede, amplifica-os para restaurá-los com for¸ca total e, em seguida, retransmite-os para outro nó da rede. Os repetidores são usados em uma rede para várias finalidades, recuperando a atenua¸cão que ocorre quando os sinais via-jam longas distâncias e estendendo o comprimento da LAN acima do máximo especificado (KIZZA, 2015).

2.5.1.3 Bridge

Diferentemente do repetidor, uma bridge trabalha na camada de enlace, amplificando o sinal digital. Esse equipamento pode copiar os quadros em caso de tráfego broadcast1, ou apenas encaminhar o quadro se houver necessidade, mas somente serão transmitidos aqueles quadros que não apresentarem erros, caso contrário são descartados. Uma bridge é um mecanismo usado para conectar dois segmentos LAN e encaminhar quadros de um segmento para outro. A bridge filtra e encaminha os quadros com o aux´ılio de uma tabela dinâmica. Essa tabela que inicialmente é vazia, mantém os endere¸cos dos nós tanto da rede local como da rede à qual a bridge está interconectada.

A bridge aprende a localiza¸cão dos hosts automaticamente. Quando um quadro chega de um determinado segmento, a bridge extrai do cabe¸calho o endere¸co de origem do quadro e adiciona-o para uma lista de computadores relacionados àquele segmento de rede. Assim como os hubs, as bridges podem ser com porta simples ou múltiplas portas. Um exemplo bastante comum de bridge são os dispositivos DSL e mo-dems a cabo. O modem funciona como uma bridge entre uma rede (LAN) doméstica e uma rede de um Internet Service Provider (ISP) (KIZZA, 2015) (COMER, 2008). A Figura 8 ilustra uma topologia de rede utilizando bridge e hubs.

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2.5.1.4 Switch

O switch é um dispositivo de rede que conecta segmentos de rede distintos. Como a bridge, ele também filtra e transmite quadros na rede com a ajuda de uma tabela dinâmica. Essa abordagem ponto-a-ponto permite que o switch conecte vários pares de segmentos ao mesmo tempo, permitindo que mais de um computador transmita dados de cada vez, dando-lhes assim maior desempenho em rela¸cão às bridges. A Figura 8 ilustra uma topologia de rede utilizando switches (KIZZA, 2015).

Um switch consiste em uma interface inteligente conectada a cada porta e um barramento central que fornece transferência simultânea entre os pares de interfaces. Uma interface contém um processador, memória e hardware necessário para receber um pacote, consultar a ta-bela de encaminhamento e enviar o pacote através do barramento para a porta de sa´ıda correta.

Como contém memória, uma interface de um switch pode en-viar pacotes recebidos para um buffer caso uma porta de sa´ıda esteja ocupada. Por exemplo, considerando três computadores conectados di-retamente a um switch, se o computador 1 ou o 2 enviarem quadros simultaneamente para um terceiro, a interface 1 ou a 2 deverão manter um quadro enquanto a outra interface transmite (COMER, 2008).

Topologia de rede com hubs e bridge.

Topologia de rede com switches.

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2.5.2 Dispositivos de interconex˜ao

Os dispositivos de interconex˜ao conectam redes menores, como v´arias LANs criando redes maiores, como a Internet.

2.5.2.1 Roteador

Os roteadores s˜ao dispositivos de prop´osito geral que interligam duas ou mais redes2_heterogˆ_{eneas representadas por sub-redes ou linhas}

ponto-a-ponto. Geralmente, são computadores espec´ıficos dedicados com interfaces de entrada e sa´ıda separadas para cada rede conectada. Eles são implementados na camada de rede, e nesta camada os dados antes chamados de quadros agora são chamados de pacotes. Entre as fun¸cões realizadas por um roteador, destacam-se (BAKER, 1995):

• Conectar-se a duas ou mais redes. Para cada rede conectada, o roteador deve implementar as fun¸c˜oes exigidas por essa rede porque ´e um membro dessa rede;

• Encapsular e desencapsular os dados conforme a estrutura de rede conectada;

• Enviar e receber dados at´e o tamanho m´aximo suportado pela rede;

• Fazer tradu¸c˜ao de endere¸cos de uma camada superior para en-dere¸cos de rede de camadas superiores quando necess´ario;

Outra fun¸cão primordial de um roteador é de escolher o próximo destino (next-hop) de cada dado que trafega na rede, baseado nas in-forma¸cões em seu banco de dados de roteamento, ou tabela de rote-amento/encaminhamento. De fato, cada roteador deve ter atribu´ıdo para si, pelo menos, dois endere¸cos IP, um para cada interface de rede a qual o roteador está conectado (KIZZA, 2015).

2.5.2.2 Gateway

Gateways são dispositivos mais versáteis do que os roteadores. Eles executam a conversão de protocolo entre diferentes tipos de

re-2_{Um dos protocolos mais utilizados em roteamento ´}_{e o protocolo Internet}

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Figura 9: Exemplo de topologia com switches e roteador.

des, arquiteturas ou aplicativos e servem como tradutores e intérpretes para computadores de rede que se comunicam em diferentes protocolos e operam em redes distintas, por exemplo, OSI e TCP/IP. Como as redes podem ser compostas por protocolos diferentes, cada rede pode possuir os seus próprios algoritmos de roteamento, servidores de nomes de dom´ınio e administra¸cão de rede, procedimentos e pol´ıticas. Ga-teways executam todas as fun¸cões de um roteador. A funcionalidade de Gateway que faz a tradu¸cão entre diferentes tecnologias e algoritmos de rede é chamada de conversor de protocolo (KIZZA, 2015).

2.6 TECNOLOGIAS NA CAMADA F´ISICA

A camada f´ısica tem por objetivo transmitir um fluxo bruto de bits de uma máquina para outra. Ela também é responsável por lidar com as especifica¸cões mecânicas e elétricas da interface e do meio de transmissão. Além disso, define os procedimentos e fun¸cões que os dis-positivos f´ısicos e as interfaces devem executar para que a transmissão ocorra (FOROUZAN, 2007).

Vários são os meios f´ısicos que podem ser usados para realizar a transmissão. Cada um com suas caracter´ısticas em termos de largura de banda, retardo, custo e facilidade de instala¸cão e manuten¸cão ( TA-NENBAUM, 2003). Eles podem ser divididos basicamente em dois tipos: cabeados e sem fio. Os meios cabeados mais utilizados são os de fios de cobre (par tran¸cado) e fibras óticas, e os sem fio são as ondas de rádio e as microondas. Assim, foram definidas classes relativas aos meios de transmissão, conforme ilustra a Figura 10.

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Figura 10: Classes dos meios de transmiss˜ao, adaptado de (FOROUZAN, 2007).

2.6.1 Meios de transmiss˜ao cabeados

Os meios f´ısicos cabeados mais utilizados nas redes de computa-dores hoje são: par tran¸cado e fibra ótica. O par tran¸cado, [também conhecido por cabo UTP (Unshielded Twisted Pair )], é também bas-tante utilizado no sistema telefônico (LOWE, 2016). Um par tran¸cado consiste em dois fios de cobre encapados, que em geral têm cerca de 1 mm de espessura. Os fios são enrolados de forma helicoidal, assim como uma molécula de DNA. O tran¸cado dos fios é feito porque dois fios paralelos formam uma antena simples.

Quando os fios são tran¸cados, as ondas de diferentes partes dos fios se cancelam, o que significa menor interferência. Uma caracter´ıstica importante é que eles podem se estender por diversos quilômetros sem amplifica¸cão mas, quando se trata de distâncias mais longas, existe a necessidade de repetidores (TANENBAUM, 2003).

Os pares tran¸cados podem ser usados na transmissão de sinais analógicos ou digitais. A largura de banda depende da espessura do fio e da distância percorrida mas, em muitos casos, é poss´ıvel alcan¸car diversos megabits/s por alguns quilômetros (TANENBAUM, 2003).

Existem diversos tipos de cabeamento de pares tran¸cados. Sendo as categorias 5 e 6 (de cabo UTP), as mais utilizadas no momento. No entanto, conforme mais e mais computadores foram se conectando às redes e aplica¸cões cada vez mais robustas foram sendo desenvolvidas aumentou-se também a demanda por banda larga. É neste contexto que a tecnologia de fibra ótica se encaixa, pois possibilita conexões em alta velocidade e com baixa latência. Apesar do custo ser cada