Conceitos básicos do Protocolo TCP/IP, Métricas de Qualidade de Serviços (QoS) e Principais Padrões IEEE de

Redes de Computadores

Agnélio Alves da Silva Neto1, Marinete Alves Oliveira2, Jean Nunes3

1 2 3Curso de Sistemas de Informação – Fundação Universidade do Tocantins (Unitins)1202 sul, Av. Teotônio Segurado – 91.501-970 – Palmas – TO – Brasil

agnelio.as@gmail.com, marinete.ao@unitins.br, jean.to@gmail.com

Abstract. This research paper presents characteristics of TCP / IP protocol, the set of layers that compose it and the main protocols that act on these layers to the performance of its functions. The use of concepts Metrics Quality of Service (QoS) to measure and analyze the performance of a network is necessary.

Resumo. Este trabalho de pesquisa apresenta características do protocolo TCP/IP, o conjunto de camadas que o compõem e os principais protocolos que atuam sobre essas camadas para o desempenho de suas funcionalidades. Sendo necessário a utilização de conceitos de Métricas de Qualidade de Serviço (QoS) para analisar e medir o desempenho de uma rede.

1. Introdução

O princípio básico da comunicação está na particularidade em que o indivíduo A, e o indivíduo B, conversem em uma linguagem comum, logo precisa se de um conjunto de regras e procedimentos que irão definir a comunicação entre as duas entidades.

Para (SILVA, 2013), os protocolos de comunicação definem o formato e a ordem das mensagens trocadas entre duas ou mais entidades; as ações tomadas durante a recepção e/ou transmissão de mensagens. Embora os computadores estejam conectados a uma única rede, existe a necessidade de um idioma comum.

Em meados dos anos setenta a tecnologia TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) emergiu para padronizar a comunicação entre os dispositivos computacionais. Segundo (KIOSKEA, 2014), o TCP/IP representa, de certa maneira, o conjunto das regras de comunicação na Internet e baseia-se na noção de endereçamento IP, isto é, o fato de fornecer um endereço IP a cada máquina da rede a fim de poder encaminhar pacotes de dados a elas.

A utilização do Network Simulator é útil para demonstrar e avaliar a qualidade de uma rede WLAN, com o objetivo de identificar se uma determinada taxa de transmissão da rede está de acordo com o padrão IEEE. Foram realizados testes com o padrão 802.11g e uma taxa de transmissão de 54 Mbps para verificar se este está atendendo os valores exigidos pelo padrão.

2. Protocolo TCP/IP

De acordo com (MARTINS, 2014), o TCP/IP é um conjunto de protocolos dividido em camadas. Esse grupo é dividido em quatro camadas: aplicação, transporte, rede e interface. Cada uma delas é responsável pela execução de tarefas distintas. Essa divisão em camadas é uma forma de garantir a integridade dos dados que trafegam pela rede.

Figure 1. Camadas Protocolo TCP/IP.

2.1. Camada de Aplicação

Essa camada é responsável por permitir a comunicação entre os programas. Para (MARTINS, 2014), os programas utilizam essa camada para enviar e receber informações de outros programas através da rede. Nela, você encontra protocolos como SMTP (para e-mail), FTP (transferência de arquivos) e o famoso HTTP (para navegar na internet). Uma vez que os dados tenham sido processados pela camada de aplicação, eles são enviados para a camada abaixo. De acordo com (TORRES, 2014), cada tipo de programa se comunica com um protocolo de aplicação diferente, dependendo da finalidade do programa.

Principais protocolos da camada de Aplicação

Protocolo Detalhes

HTTP Permite transferência de dados na forma de textos simples, hipertexto, áudio, vídeo, entre outras formas.

SMTP É um mecanismo padrão de correio eletrônico da Internet.

FTP Padrão oferecido pela internet para transferir arquivos de um host para outro.

RTSP Possibilita o controle da entrega de dados em tempo real.

POP3 e IMAP4 São responsáveis pelo acesso à caixa de correio e pela verificação das correspondências.

2.2. Camada de Transporte

A Camada de Transporte é responsável por desempenhar diversas atividades. Para (TORRES, 2014), após processar a requisição do programa, o protocolo na camada de Aplicação se comunicará com outro protocolo na camada de Transporte, normalmente o TCP. Esta camada é responsável por pegar os dados enviados pela camada superior, dividi-los em pacotes e enviá-los para a camada imediatamente inferior, a camada Internet. Além disso, durante a recepção dos dados, esta camada é responsável por colocar os pacotes recebidos da rede em ordem (já que eles podem chegar fora de ordem) e também verificam se o conteúdo dos pacotes está intacto.

Principais protocolos da camada de Transporte

Protocolo Detalhes

TCP Orientado à conexão: conexão requerida entre processos cliente e servidor; Transporte confiável entre os processos de envio e recepção; Controle de fluxo: o transmissor não sobrecarrega o receptor; Controle de congestionamento: protege a rede do excesso de tráfego; Não oferece: garantias de temporização e de banda mínima.

UDP Transferência de dados não confiável entre os processos transmissor e receptor; Não oferece: estabelecimento de conexão, confiabilidade, controle de fluxo e de congestionamento, garantia de temporização e de banda mínima.

2.3. Camada de Rede

Na camada Internet nós temos o IP (Internet Protocol, Protocolo Internet), que coleta os pacotes recebidos da camada de Transporte e adiciona informações de endereçamento virtual, isto é, adiciona o endereço do computador que está enviando os dados e o endereço do computador que receberá os dados. Esses endereços virtuais são chamados endereços IP. Em seguida os pacotes são enviados para a camada imediatamente inferior, a camada Interface com a Rede. Nesta camada os pacotes são chamados datagramas (TORRES, 2014).

Principais protocolos da camada de Rede

Protocolo Detalhes

IP É o protocolo mais importante desta camada. Ele é responsável pelo endereçamento e roteamento de pacotes entre hosts e redes.

ARP É utilizado para roteamento, ou seja, a escolha do

caminho ideal em determinada circunstância e o instante para a conexão entre dois nós.

ICMP É utilizado para a transmissão de mensagens de erro ou outras mensagens destinadas ao TCP/IP.

2.4. Camada Física

De acordo com (MARTINS, 2014), a tarefa da Interface é receber e enviar pacotes pela rede. Conforme (TORRES, 2014), o que está dentro desta camada dependerá do tipo de rede que seu computador estiver usando. Atualmente, praticamente todos os computadores utilizam um tipo de rede chamado Ethernet (que está disponível em diferentes velocidades; as redes sem fio também são redes Ethernet) e, portanto, você deve encontrar na camada Interface com a Rede as camadas do Ethernet, que são Controle do Link Lógico (LLC), Controle de Acesso ao Meio (MAC) e Física, listadas de cima para baixo. Os pacotes transmitidos pela rede são chamados quadros.

Principais protocolos da camada de Rede

Protocolo Detalhes

USB Padrão que define os cabos, conectores e protocolos usados para a transmissão de dados através de cabos em periféricos.

DSL Tecnologias que permitem o acesso à internet através da transmissão digital de dados em uma rede local de telefonia.

ISDN É um conjunto de padrões de comunicação simultânea digital, transmissão de voz, vídeo, dados e outros serviços de rede através da rede de telefonia pública.

Ethernet (IEE 802.3)

Tecnologia para a conexão entre hosts de uma rede LAN baseada no envio de pacotes.

SONET / SDH São padrões para a transferência de fluxo de bits sobre fibra óptica através de lasers ou luz altamente coerente LEDs.

3. Métricas de Qualidade de Serviço (QoS)

A capacidade de fazer com que todas as camadas de rede colaborem com a finalidade de proporcionar o desempenho que cada aplicação necessite, satisfazendo as expectativas do usuário é definido como QoS (COSTA, 2008). A sua finalidade é proporcionar serviços de qualidade fim-a-fim para aplicações do usuário.

Conforme (COSTA, 2008), para oferecer QoS há necessidade da rede fornecer banda suficiente, de forma que possa atender as cargas de redes prioritárias, diferenciando as aplicações ou classes de tráfego e alocando os recursos requeridos para garantir a performance necessária para o tráfego. O QoS é definido por um conjunto de

métricas de desempenho da rede, sendo: Disponibilidade de Serviço, Vazão, Latência, Jitter, Perda de Pacotes.

Para (SANTANA, p. 8), não são todas as aplicações que necessitam de garantias consideráveis e rígidas de qualidade de serviço para um desempenho satisfatório. A aplicações multimídia são, normalmente, as que tem uma maior exigência de QoS. As aplicações em geral, sempre necessitam de vazão, o parâmetro mais básico e certamente mais presente nas especificações de QoS.

3.1. Vazão

A vazão (banda) é o parâmetro mais básico de QoS e é necessário para a operação adequada de qualquer aplicação (SANTANA, p. 9). As aplicações geram vazões, as quais devem ser atendidas pela rede.

3.2. Latência e Atraso

É parâmetro de grande importância para qualidade de serviço das aplicações. A latência é compreendida como o somatório dos atrasos ocasionados pela rede e equipamentos utilizados na comunicação. Fatores como atraso de propagação, velocidade de transmissão e processamento nos equipamentos influenciam na latência de uma rede (SANTANA, p. 9).

O atraso de propagação corresponde ao tempo necessário para a propagação do sinal elétrico ou propagação do sinal óptico no meio sendo utilizado, esse fator não sofre influência nenhuma do gerente de rede. A velocidade de transmissão é controlado pelo gerente visando a adequação da rede a qualidade de serviço solicitada. O terceiro fator que contribui para a latência da rede é referente ao processamento realizado nos equipamentos, os pacotes em uma rede são processados ao longo do percurso entre origem e destino através de roteadores, LAN Switches, servidores de acesso remoto e outros (SANTANA, p. 10).

3.3. Variação de Atraso

De acordo com (SANTANA, p. 11), o jitter é um parâmetro de grande importância na qualidade de serviço. A variação de atraso é importante para aplicações executando em rede em que sua operação depende de alguma forma da garantia de que as informações devem ser processadas em períodos de tempo bem definidos. Aplicações como voz e fax sobre IP (VoIP) são bons exemplos para esse caso. Essa métrica pode ser entendida como a variação no tempo e na sequência de entrega das informações devido a variação na latência da rede.

3.4. Perda

A perda de pacotes ocorre principalmente em função de fatores como, descarte de pacote nos roteadores e switch routers e devido a erros ocorridos na camada 2 durante o seu transporte (SANTANA, p. 12).

Para (SANTANA, p. 12), a perda de pacotes em redes IP são uma problema sério para determinadas aplicações, como voz sobre IP. A preocupação da qualidade de serviço é normalmente no sentido de especificar e garantir limites razoáveis que permitam uma operação adequada da aplicação.

4. Principais padrões IEEE de redes de computadores

4.1. IEEE 802.11: Ethernet Wireless

As redes sem fio surgiram para eliminar as limitações impostas pelas conexões via cabos, embora esse tipo de conexão ainda seja bastante popular.

As redes sem fio está se tornando cada vez mais comum, não só nos ambientes domésticos e corporativos, mas também em locais públicos e em instituições acadêmicas (ALECRIM, 2008).

De acordo com (ALECRIM, 2008), Wi-Fi é um conjunto de especificações para redes locais sem fio (WLAN - Wireless Local Área Network) baseada no padrão IEEE 802.11. Com a tecnologia Wi-Fi, é possível implementar redes que conectam computadores e outros dispositivos compatíveis que estejam próximos geograficamente. Com esse tipo de rede, não se faz necessário o uso de cabos, já a transmissão de dados ocorre por meio de radiofrequência.

4.2. IEEE 802.15: Bluetooth

O padrão IEEE 802.15, conhecido como Bluetooth, é mantido pela SIG (Bluetooth Special Interest Group). O SIG é um grupo responsável pelo desenvolvimento de tecnologia Bluetooth para seus aparelhos.

Para (SANDY, 2008), o Bluetooth é um protocolo que possibilita a conexão e a troca de informação entre dispositivos, como: celulares, computadores, impressoras, dentre outros. Esta comunicação ocorre através de uma frequência de rádio com curto alcance.

Os dispositivos Bluetooth operam na faixa de 2,45 GHz e são divididos em três classes, sendo que a primeira classe possui um alcance de 100m, na teoria, visto que na prática nunca nos encontramos em um ambiente livre de obstáculos, na segunda classe são os mais usados, podendo ser encontrado em grande dos celulares e dispositivos portáteis com o alcance de 10m e terceira classe que raramente é encontrada possuindo o alcance de 1m (SANDY, 2008).

4.3. IEEE 802.16: Wimax

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), o IEEE 802.16 é um padrão que começou a ser desenvolvido em 1999, com a finalidade de distribuição de sinal de rede de computadores em uma área metropolitana. O WiMAX foi projetado para atender uma área de 50km de raio, trabalhando a 75Mbps. Características que torna este padrão adequado para distribuição do sinal de rede dentro de uma cidade ou em áreas onde meios cabeados não são viáveis (JUNIOR, 2008).

De acordo com (JUNIOR, 2008), na camada física, o WiMAX começou transmitindo dados entre 10 e 66GHz, mas com o IEEE 802.16-2004, esta faixa de frequência mudou para 2 a 11GHz (como forma de aproximação com o Wi-Fi), com a modulação sendo feita por OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). Essa modulação mudou na especificação de 2005 (IEEE 802.16-2005), quando o padrão SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) foi adotado. As versões mais avançadas do WiMAX ainda utilizam a tecnologia de múltiplas antenas, MIMO (Multiple-Input Multiple-Output Comunications), para transferência de dados, o

que traz benefícios como melhor cobertura, menor consumo de energia e maior eficiência na largura de banda.

4.4. IEEE 802.03: Ethernet Wired

O padrão que IEEE 802.03, conhecido também como Ethernet, especifica as camadas de ligação de dados do Modelo OSI para a interconexão de redes locais.

5. Simulando com Network Simulator

5.1 Network Simulator

O Network Simulator – NS é um simulador em que a sequência de eventos é realizada de forma cronológica. Essa ferramenta permite fazer simulações wireless e possibilita controlar o cenário proposto para a simulação. Integrado ao NS existe o NAM (NetwokrAnimator) que serve para visualizar a dinâmica das simulações.

O simulador de redes Network Simulator utiliza duas linguagens C++ e OTCL. O uso da linguagem C++ ocorre quando se faz necessário manipular dados e tratar variáveis de baixo nível na rede. Já a linguagem interpretada OTCL é usada para configurar, constituir parâmetros e manipular objetos e classes feitas em modo texto.

5.2 Cenários da Simulação

Para executar a simulação foi definido um cenário com nove hosts móveis e um AP. Desses nove hosts, o nó 1 serviu como servidor FTP, o nó 0 é o AP e o restante serviram para gerar tráfego na rede. Como protocolo de transporte foi utilizado o TCP simulando aplicação FTP.

Figura 1 - Cenário Simulação

A seguir será apresentado à disposição dos nós no programa NS para a realização da simulação.

Figura 2 - Cenário Simulado no NS

5.3 Resultados

O objetivo desse trabalho é realizar simulações utilizando a ferramenta Network Simulator em redes wireless WLAN, com foco no padrão 802.11g e uma taxa de transmissão de 54 Mbps.

A partir do arquivo trace gerado pela simulação no NS, foi utilizado o programa tracegraph para analisar o arquivo e gerar diversos gráficos referentes ao cenário simulado, possibilitando a interpretação dos resultados. Na simulação realizada foram observadas três características da rede, a sua vazão, perda de pacotes e throughput x delay.

Os gráficos do tracegraph retornam, por padrão, os resultados em bits, dessa forma, faz se necessário a realização de cálculos a fim de encontrar os seus respectivos resultados em Mbps, de acordo com o padrão IEEE. A tabela 01 descreve esse processo para descobrir o resultado da vazão dos pacotes gerados provida da simulação.

Figura 3 - Vazão 54 Mbps

Figura 4 - Perda de Pacotes 54 Mbps

Figura 5 - Throughput x Delay 54 Mbps

A seguir será apresentado tabelas com os resultados da providos da simulação realizada.

Taxa Cálculo Vazão

54 Mbps (6,5*10^6)/1024 6,19 Mbps

Tabela 1 - Vazão 54 Mbps

Taxa Cálculo Perda de Pacotes

54 Mbps (2,8*10^5)/1024 273,43 Kbps

Tabela 2 - Perda de Pacotes 54 Mbps

Conforme o resultado apresentado da vazão para o padrão 802.11g com uma taxa de 54 Mbps é possível afirmar que o resultado encontrado não está de acordo com o padrão, visto que a vazão deveria alcançar no mínimo 30% do valor da sua taxa, dessa forma assumindo o valor por volta de 16 Mbps.

No gráfico referente a perda de pacotes é possível perceber que a perda de pacotes do ambiente simulado oscilava constantemente. Analisando o pico máximo de bits perdidos é possível afirmar que o seu valor não sofreu grandes alterações com inserção de novos nós no decorrer da simulação, sendo que inicialmente a simulação começa com apenas um nó e posteriormente são inseridos novos nós, ressaltando de a partir dos 9 segundos de simulação todos os nós estão recebendo dados. Sendo assim é possível afirmar que a perda de pacotes não está totalmente relacionada a quantidade de hots que estão recebendo dados, visto que e a sua variação de perda de pacotes não sofreu grandes alterações quando todos os nós da simulação estavam recebendo dados.

6. Conclusão

Para a realização de comunicação entre duas entidades, sejam, humanas ou maquinas, faz se necessário um padrão, para que estas possam compreender a informação que está sendo transmitida. Decorrente dessa necessidade foi criado o protocolo TCP/IP, para que duas ou mais maquinas consigam se comunicar. Na construção desse protocolo foi definido camadas, sendo que cada camada seria responsável pela execução de uma atividade distinta, porém para e execução dessas atividades foram definidos protocolos que atuassem sobre essas camadas para que estas possam desempenhar suas atividades.

Para analisar e medir o desempenho de uma rede, existe alguns conceitos baseados em Métricas de Qualidade de Serviço (QoS). Para se medir o QoS de uma rede utilizando-se de alguns aspectos como: jitter, vazão, atraso e perda.

De acordo com a simulação realizada, pode verificar que a vazão para o padrão 802.11g com uma taxa de transmissão 54 Mbps não está de acordo com o padrão. Em relação a perda de pacotes é possível constatar que a perda de pacotes da rede não está diretamente relacionada a quantidade de hots conectados e recebendo dados.

Referências

MARTINS, E. O que é TCP/IP: Um dos protocolos mais importantes da internet. <http://www.tecmundo.com.br/o-que-e/780-o-que-e-tcp-ip-.htm>. Acessado em 14 fev. 2014.

KIOSKEA, Kioskea Brasil. TCP/IP. <http://pt.kioskea.net/contents/285-tcp-ip>. Acessado em 14 fev. 2014.

TORRES, G. Como o Protocolo TCP/IP Funciona. <http://www.clubedohardware.com.br/artigos/como-o-protocolo-tcp-ip-funciona-parte-1/1351>. Acessado em 14 fev. 2014.

SILVA, D. M. Revisão Redes de Computadores, Slides aula ministrada na UNITINS. <educa.unitins.br >. Acessado em 14 fev. 2014.

COSTA, G. H. Métricas para Avaliação de Desempenho em Redes QoS sobre IP. 2008. 42 f. Trabalho de Conclusão (Especialista) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

SANTANA, H. Qualidade de Serviço (QoS) em Redes IP Princípios Básicos, Parâmetros e Mecanismos. Universidade Santa Cecília – Unisanta.

TECHNET, Microsoft TechNet. Usando o protocolo RTSP. <http://technet.microsoft.com/pt-br/library/cc770781(v=ws.10).aspx> Acessado em 03 fev. 2014.

LUIZ, L. Protocolos da Camada de Aplicação. <http://leanndroluiz.blogspot.com.br/2010/10/protocolos-da-camada-de-aplicacao.html>. Acessado em 03 fev. 2014.

PEARSON, Pearson Education. Redes de Computadores e a Internet. <http://www.ic.unicamp.br/~ripolito/peds/st564/material/Camada_de_Aplica__o-1.pdf>. Acessado em 03 fev. 2014.

ICEFUSION, Icefusion. Redes – Protocolos e suas Camadas – Parte 01. <http://www.icefusion.com.br/protocolos-e-suas-camadas-parte-01/>. Acessado em 03 fev. 2014.

PEDREIRA, CEAP Pedreira. Protocolos Camada Física. <http://ceappedreirasrt.blogspot.com.br/2012/05/protocolos-camada-fisica.html>. Acessado em 03 fev. 2014.

ALECRIM, E. A. O que é Wi-Fi (IEEE 802.11)? <http://www.infowester.com/wifi.php> Acessado em 05 fev. 2014.

SANDY, J. M. S. S. IEEE 802.15.1 – Bluetooth. <http://informacaocomdiversao.blogspot.com.br/2008/11/ieee-80215-bluetooth.html> Acessado em 05 fev. 2014.

JUNIOR, J. L. O. J. IEEE 802.16. <http://pipeless.blogspot.com.br/2008/11/ieee-80216.html> Acessado em 05 fev. 2014.

NUNES, J. e MONTEIRO, C. Simulando Wlan com NS: Experiência com os Sub-Padrões 802.11b E 802.11g. IV Congresso de Pesquisa e Inovação da Rede Norte e Nordeste de Educação Tecnológica Belém - PA – 2009.