TCP/IP

Os protocolos internet formam o grupo de protocolos de comunicação que implementa a pilha de protocolos sobre a qual a internet e a maioria das redes comerciais roda. Eles são algumas vezes chamados de protocolos TCP/IP, já que os dois protocolos mais importantes desse modelo são: o protocolo TCP - Transmission Control Protocol (Protocolo de Controle de Transmissão) - e o IP - Internet Protocol (Protocolo Internet). Esses dois protocolos foram os primeiros a serem definidos.

O modelo TCP/IP - como muitos modelos de protocolos - pode ser visto como um grupo de camadas, em que cada uma resolve um grupo de problemas envolvendo a transmissão de dados e fornece um serviço bem definido para os protocolos da camada acima, que por sua vez se baseia em usar os serviços de algumas camadas abaixo. As camadas mais altas estão logicamente mais perto do usuário, lidam com dados mais abstratos e confiam nos protocolos das camadas mais baixas para traduzir dados em um formato que pode eventualmente ser transmitido fisicamente.

O modelo OSI descreve um grupo fixo de sete camadas que alguns fornecedores preferem e que pode ser comparado a grosso modo com o modelo TCP/IP. Essa comparação pode causar confusão ou trazer detalhes mais internos para o TCP/IP.

Camadas na pilha de protocolos dos protocolos internet

O modelo TCP/IP usa encapsulamento para fornecer abstração de protocolos e serviços para diferentes camadas na pilha. A pilha consiste de quatro camadas:

4	Aplicação (camadas OSI 5 até 7)	e.g. HTTP, FTP, DNS (protocolos de routing como BGP e RIP, que por uma variedade de razões roda sobre TCP e UDP respectivamente, podem também serem considerados parte da camada de rede)
3	Transporte (camadas OSI 4 e 5)	e.g. TCP, UDP, RTP, SCTP (protocolos como OSPF, que roda sobre IP, pode também ser considerado parte da camada de rede)
2	Rede (camada OSI 3)	Para TCP/IP o protocolo é IP (protocolos requeridos como ICMP e IGMP rodam sobre IP, mas podem ainda ser considerados parte da camada de rede; ARP não roda sobre IP)
1	Física (camadas OSI 1 e 2)	e.g. Ethernet, Wi-Fi, MPLS etc.

As camadas mais próximas do topo estão logicamente mais perto do usuário enquanto aquelas mais abaixo estão logicamente mais perto da transmissão física do dado. Cada camada tem um protocolo de camada acima e um protocolo de camada abaixo (exceto as camadas da ponta, obviamente) que podem usar serviços de camadas anteriores ou fornecer um serviço, respectivamente. Enxergar as camadas como fornecedores ou consumidores de serviço é um método de abstração) para isolar protocolos de camadas acima dos pequenos detalhes de transmitir bits através, digamos, de ethernet e deteção de colisão enquanto as camadas abaixo evitam ter de conhecer os detalhes de todas as aplicações e seus protocolos.

Essa abstração também permite que camadas de cima forneçam serviços que as camadas de baixo não podem, ou não queiram, fornecer. Por exemplo, o IP é projetado para não ser confiável e é um protocolo best effort delivery. Isso significa que toda a camada de transporte deve indicar se irá ou não fornecer confiabilidade e em qual nível. O UDP fornece integridade de dados (via um checksum) mas não garante entrega garantida; O TCP fornece tanto integridade dos dados quanto garantia de entrega (retransmitindo até que o destinatário receba o pacote).

Comparação com o modelo OSI

Existe alguma discussão sobre como mapear o modelo TCP/IP dentro do modelo OSI. Uma vez que os modelos TCP/IP e OSI não combinam exatamente, não existe uma resposta correta para esta questão.

Além do mais, o modelo OSI não é realmente rico o suficiente nas camadas mais baixas para capturar a verdadeira divisão de camadas; é necessário uma camada extra (a camada internet) entre as camadas de transporte e de rede. Protocolos específicos para um tipo de rede que rodam em cima de estrutura de hardware básica precisam estar na camada de rede. Exemplos desse tipo de protocolo são ARP e o Spanning Tree Protocol (usado para manter pontes de rede redundantes em idle enquanto elas são necessárias). Entretanto, eles são protocolos locais e operam debaixo da funcionalidade internet. Reconhecidamente colocar ambos os grupos (sem mencionar protocolos que são logicamente parte da camada internet, mas rodam em cima de um protocolo internet, como ICMP) todos na mesma camada pode ser um tanto confuso, mas o modelo OSI não é complexo o suficiente para fazer um trabalho melhor.

Geralmente, as três camadas mais acima do modelo OSI (aplicação, apresentação e sessão) são consideradas como uma única camada (aplicação) no modelo TCP/IP. Isso porque o TCP/IP tem uma camada de sessão relativamente leve, consistindo de abrir e fechar conexões sobre TCP e RTP e fornecer diferentes números de portas para diferentes aplicações sobre TCP e UDP. Se necessário, essas funções podem ser aumentadas por aplicações individuais (ou bibliotecas usadas por essas aplicações). Similarmente, IP é projetado em volta da idéia de tratar a rede abaixo dele como uma caixa preta de forma que ela possa ser considerada como uma única camada para os propósitos de discussão sobre TCP/IP.

As camadas

O que segue é uma descrição de cada camada na pilha da suíte IP.

A camada de enlace

A camada de enlace não é realmente parte do modelo TCP/IP, mas é o método usado para passar pacotes da camada de rede de um dispositivo para a camada de internet de outro. Esse processo pode ser controlado tanto em software (device driver) para a place de rede quanto em firmware ou chipsets especializados. Esses irão executar as funções da camada de enlace de dados como adicionar um header de pacote para prepará-lo para transmissão, então de fato transmitir o quadro através da camada física. Do outro lado, a camada de enlace irá receber quadros de dados, retirar os headers adicionados e encaminhar os pacotes recebidos para a camada de internet.

Entretanto, a camada de enlace não é sempre tão simples. Ela pode também ser um VPN (Virtual Private Network, Rede Privada Virtual) ou túnel, onde pacotes da camada de internet, ao invés de serem enviados através de uma interface física, são enviados usando um protocolo de tunneling e outra (ou a mesma) suíte de protocolos. O VPN ou túnel é usualmente estabelecido além do tempo, e tem características especiais que a transmissão direta por interface física não possui (por exemplo, ele pode encriptar os dados que passam através dele). Esse uso recursivo de suíte de protocolos pode ser confuso uma vez que a "camada" de enlace é agora uma rede inteira. Mas é um método elegante para implementar funções freqüentemente complexas. (Embora muito cuidado é necessário para prevenir um pacote que é empacotado e enviado através do túnel de ser re-empacotado e reenviado novamente através do túnel).

A camada de rede

Como definido originalmente, a camada de rede resolve o problema de obter pacotes através de uma rede simples. Exemplos de protocolos são o X.25 e o Host/IMP da ARPANET.

Com o advento do conceito de internet, adicional funcionalidade foi adicionada para essa camada, especialmente a obtenção de dados da rede origem para a rede destino. Isso geralmente envolve rotear o pacote através de uma rede para outras redes, estas conhecidas como uma internet.

Na suíte de protocolos internet, o IP executa a tarefa básica de levar pacotes de dados da origem para o destino. O IP pode transmitir dados para diferentes protocolos de nível mais alto; esses protocolos são identificados cada um por um único número de protocolo IP. ICMP e IGMP são os protocolos 1 e 2, respectivamente.

Alguns dos protocolos transmitidos por IP, como o ICMP (usado para transmitir informação de diagnóstico sobre a transmissão IP) e o IGMP (usado para gerenciar dados multicast) são colocados acima do IP mas executam funções da camada internet. Isso ilustra uma incompatibilidade entre os modelos da internet e OSI. Todos os protocolos de routing, como o BGP, o OSPF e o RIP são também realmente parte da camada de internet, muito embora eles possam ser vistos como pertencentes à camadas mais altas na pilha.

A camada de transporte

Os protocolos na camada de transporte podem resolver problema como confiabilidade ("o dado alcançou seu destino?") e assegurar que os dados cheguem na ordem correta. Na suíte de protocolos TCP/IP, os protocolos de transporte também determinam para qual aplicação um dado qualquer é destinado.

Os protocolos dinâmicos de routing que tecnicamente cabem nessa camada do TCP/IP (desde que eles rodem sobre o IP) são geralmente considerados parte da camada de rede; um exemplo é o OSPF (protocolo IP número 89).

O TCP (Transmission Control Protocol, Protocolo de Controle de Transmissão) - número 6 do protocolo IP - é um mecanismo de transporte "confiável", orientado à conexão, que fornece um stream de bytes confiável, que garante que os dados cheguem íntegros, não danificados e em ordem. O TCP tenta continuamente medir o quão carregada a rede está e desacelera sua taxa de envio para evitar sobrecarga. Além disso, o TCP irá tentar entregar todos os dados corretamente na seqüência especificada. Essas são as principais diferenças dele para com o UDP, e pode se tornar desvantajoso em streaming em tempo real ou aplicações de routing com altas taxas de perda na camada internet.

O mais novo SCTP (Stream Control Transmission Protocol, Protocolo de Transmissão de Controle de Stream) é também um mecanismo de transporte "confiável". Ele também provê suporte multi-homing, em que o final de uma conexão pode ser representada por múltiplos endereços IP (representando múltimas interfaces físicas), de maneira que, se algum falhar, a conexão não é interrompida. Ele foi desenvolvido inicialmente para aplicações de telefonia (para transportar SS7 sobre IP), mas também pode ser usado para outras aplicações.

O UDP (User Datagram Protocol) - número 17 do protocolo IP - é um protocolo de datagrama sem conexão. Ele é um protocolo de "melhor esforço" ou "não confiável". Não porque ele é particularmente não confiável, mas porque ele não verifica se os pacotes alcançaram seu destino, e não dá qualquer garantia que eles irão chegar na ordem. Se uma aplicação requer estas características, então ela mesma terá que provê-las ou usar o protocolo TCP.

O UDP é tipicamente usado por aplicações como as de mídia de streaming (áudio, vídeo etc) onde a chegada na hora é mais importante do que confiabilidade, ou para aplicações de simples requisição/resposta como pesquisas DNS, onde o overhead de configurar uma conexão confiável é desproporcionalmente largo.

O DCCP está atualmente em desenvolvimento pelo IETF. Ele provê controle de fluxo das semânticas do TCP, enquanto mantém o modelo de serviço de datagramas do UDP visível para o usuário.

Tanto o TCP quanto o UDP são usados para transmitir um número de aplicações de alto nível. As aplicações em qualquer endereço de rede são distingüidas por seus endereços de porta TCP ou UDP. Por convenção, certas portas "bem conhecidas" estão associadas com aplicações específicas.

A camada de aplicação

A camada de aplicação é a camada que a maioria dos programas de rede usam de forma a se comunicarem através de uma rede com outros programas. Processos que rodam nessa camada são específicos da aplicação; o dado é passado do programa de rede, no formato usado internamente por essa aplicação, e é codificado dentro do padrão de um protocolo.

Alguns programas específicos são levados em conta nessa camada. Eles provêm serviços que suportam diretamente aplicações do usuário. Esses programas e seus correspondentes protocolos incluem o HTTP (navegação na Word Wide Web), FTP (transporte de arquivos), SMTP (envio de email), SSH (login remoto seguro), DNS (pesquisas nome <-> IP) e muitos outros.

Uma vez que o dado de uma aplicação foi codificados dentro de um padrão de um protocolo da camada de aplicação ele será passado para a próxima camada da pilha IP.

Na camada de transporte, aplicações irão em sua maioria fazer uso de TCP ou UDP, e aplicações servidoras são freqüentemente associadas com um número de porta. Portas para aplicações servidores são oficialmente alocadas pela IANA (Internet Assigned Numbers Authority) mas desenvolvedores de novos protocolos hoje em dia freqüentemente escolhem os números de portas por eles mesmos. Uma vez que é raro ter mais que alguns poucos programas servidores no mesmo sistema, problemas com conflito de portas são raros. Aplicações também geralmente permitem que o usuário especifique números de portas arbitrários através de parâmetros em tempo de execução.

Aplicações cliente conectando para fora geralmente usam um número de porta randômico determinado pelo sistema operacional. Aplicações que escutam sobre uma porta e então enviam aquela porta para outra cópia da aplicação via um servidor para configurar um link par a par (e.g. transferências de arquivo dcc sobre IRC).

Como IP mata e come redes competitivas

Por um longo período, o IP parece substituir outras redes. Aqui está uma breve explicação. IP transmite dados genéricos. Os dados podem servir a qualquer propósito, e podem facilmente substituir dados fornecidos por redes proprietárias. Aqui está a seqüência usual:

Implementações

• KA9Q PPJ
• lwIP

Hoje, a maioria dos sistemas operacionais comerciais incluem e instalam a pilha TCP/IP por padrão. Para a maioria dos usuários, não há nenhuma necessidade de procurar por implementações. O TCP/IP é incluído em todas as versões comerciais do Unix e Linux assim como no Max OS X, Microsoft Windows e Windows Server.

Veja também

• Modelo OSI
• Modelo DoD
• números de portas TCP e UDP

Referências

• Internet History -- Pages on Robert Kahn, Vinton Cerf, and TCP/IP (reviewed by Cerf and Kahn).

Links externos

• RFC 1180 A TCP/IP Tutorial - from the Internet Engineering Task Force (January 1991)
• TCP/IP FAQ
• A Study of the ARPANET TCP/IP Digest
• TCP/IP Sequence Diagrams
• The Internet in Practice
• Ateneo Network Research Group TCP/IP research at the Ateneo de Manila University
• TCP/IP Directory & Informational Resource.

Livros sobre TCP/IP

• Joseph G. Davies and Thomas F. Lee. Microsoft Windows Server 2003 TCP/IP Protocols and Services. ISBN 0735612919
• Craig Hunt TCP/IP Network Administration. O'Reilly (1998) ISBN 1565923227
• W. Richard Stevens. The Protocols (TCP/IP Illustrated, Volume 1). Addison-Wesley Professional; 1st edition (December 31, 1993). ISBN 0201633469