Modelos de camadas

O quê é um protocolo¶

Um protocolo de rede é um conjunto de regras que define como a comunicação entre dispositivos deve ocorrer. Ele especifica o formato dos dados, ou seja, como os bits são organizados, e estabelece como iniciar, manter e encerrar uma comunicação. Além disso, determina como lidar com erros, perdas de informação e confirmações de entrega, podendo também incluir regras relacionadas à segurança, compressão, ordenação e retransmissão dos dados.

Camadas de protocolos¶

Em redes de computadores, a comunicação entre dispositivos depende de protocolos. No entanto, como as redes envolvem diversos processos simultâneos e interdependentes — como envio físico de sinais, controle de erros, identificação dos destinatários, segurança, entre outros — a complexidade da comunicação torna-se muito alta. Para lidar com essa complexidade, é necessário organizar e simplificar as funções da rede, dividindo as responsabilidades de forma clara e estruturada. É nesse contexto que surgem as camadas de protocolos, uma abordagem que permite separar a comunicação em diferentes níveis, onde cada um trata de um aspecto específico da transmissão de dados, promovendo modularidade, padronização e maior facilidade na implementação, manutenção e evolução das redes.

Os modelos de camadas de protocolos são estruturas conceituais que organizam as funções da comunicação de dados em camadas hierárquicas, onde cada camada executa uma tarefa específica e se comunica apenas com as camadas diretamente acima e abaixo dela. Seu objeto é facilitar o projeto e a padronização de redes, permitir interoperabilidade entre sistemas diferentes, isolar problemas e simplificar manutenção e organizar os protocolos de forma modular.

A Figure 1 destaca a troca de dados entre hospedeiros de forma abstrata, ocultando os detalhes do meio físico. Essa transmissão só é possível porque existe um enlace de fato interligando os dispositivos, conforme mostra a Figure 2.

Um modelo de camadas descreve a comunicação em uma rede por meio de níveis hierárquicos. Cada camada concentra responsabilidades específicas e oferece serviços bem definidos para a camada imediatamente superior, utilizando os serviços da camada inferior. Essa organização facilita a evolução e a manutenção das redes, pois mudanças internas de uma camada não interferem nas demais.

Em cada nível ocorrem trocas de mensagens regidas por protocolos. Eles especificam o formato dos dados, as regras de envio e as ações esperadas durante a comunicação. Dessa forma, equipamentos de fabricantes distintos podem cooperar seguindo um conjunto comum de regras, independentemente dos detalhes de implementação de cada um.

Pilha de Protocolos da Internet¶

No livro Jim Kurose (2021, pg. 39), a comunicação na Internet é explicada com base em uma pilha de cinco camadas, cada uma com funções bem definidas. Essa pilha é uma variação prática do modelo TCP/IP, usada amplamente para explicar o funcionamento real das redes, especialmente a Internet. As camadas formam uma arquitetura hierárquica, onde cada uma depende dos serviços da camada inferior e oferece serviços para a camada superior.

Aqui, a pilha de protocolos da Internet como uma arquitetura de cinco camadas, organiza as funções da comunicação de dados em níveis bem definidos. Diferente de modelos puramente técnicos que se concentram apenas na movimentação de pacotes, essa pilha tem como foco principal a comunicação entre aplicações distribuídas, ou seja, entre os programas que realmente utilizam a rede para trocar informações.

Cada camada da pilha possui um conjunto de responsabilidades específicas, e oferece serviços para a camada imediatamente superior, além de se apoiar nos serviços da camada inferior. Isso cria uma estrutura modular e flexível, que facilita o desenvolvimento e a padronização dos sistemas de comunicação.

A Figure 3 complementa a explicação ao apresentar a interação entre as camadas de protocolos nos dois lados da comunicação. Perceba na Figura que a comunicação entre dispositivos ocorre apenas na camada física.

Dispositivos e Camadas¶

No funcionamento de uma rede, diferentes dispositivos implementam diferentes camadas .
Cada camada possui funções específicas, e nem todo dispositivo precisa implementar todas as camadas.
Por exemplo, um roteador atua principalmente nas camadas de rede e enlace, enquanto um servidor web implementa desde a camada de aplicação até a camada física.

A tabela a seguir apresenta alguns exemplos de dispositivos e as camadas que eles normalmente implementam.

Encapsulamento¶

Chamamos de encapsulamento ao processo pelo qual os dados de uma aplicação são gradualmente “empacotados” com informações adicionais pelas camadas inferiores da pilha, até estarem prontos para serem transmitidos pela rede.

Quando uma aplicação gera dados para seren enviados pela rede, essa informação começa na camada de aplicação. Ao descer pela pilha:

• Cada camada adiciona um cabeçalho próprio ao dado recebido da camada superior.

• Esses cabeçalhos contêm informações de controle (como endereços, números de sequência, tipo de protocolo, etc.).

• O dado original e seus cabeçalhos formam a PDU (Unidade de Dados de Protocolo) correspondente à camada.

Outros modelos¶

Modelo OSI¶

O modelo OSI (Open Systems Interconnection) é um modelo de referência criado pela ISO (Organização Internacional para Padronização) com o objetivo de padronizar a forma como os sistemas se comunicam em redes de computadores. Ele organiza a comunicação em sete camadas hierárquicas, onde cada camada é responsável por uma função específica e se comunica apenas com as camadas adjacentes. Esse modelo é teórico e serve como base para o entendimento e o desenvolvimento de protocolos de rede, mesmo que nem todos os sistemas o sigam exatamente Andrew Tanenbaum, 2021, pg. 38.

As sete camadas, de cima para baixo, são:

O modelo OSI é fundamental no ensino de redes por permitir uma visão estruturada e modular da comunicação, ajudando a compreender como diferentes tecnologias e protocolos interagem dentro de um sistema de rede.

TCP/IP¶

O modelo TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) é um modelo de camadas desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos como base para a comunicação na Internet. Ao contrário do modelo OSI, que é teórico, o modelo TCP/IP é prático e amplamente utilizado, servindo como a arquitetura padrão para redes modernas Andrew Tanenbaum, 2021, pg. 39.

Exercícios¶