Conceitos, Topologias e Modelos de Referência (OSI e TCP/IP)

O que mais cai

Do que trata o tópico

Este tópico é a porta de entrada de Redes de Computadores. Ele explica o que é uma rede, como ela se classifica pela área que cobre, como os dados viajam por ela e quanto tempo levam, como os equipamentos se ligam uns aos outros (as topologias) e como o trabalho de comunicação se divide em camadas. As camadas aparecem em dois modelos: o modelo OSI, de sete camadas, que serve de referência para estudar e comparar, e a arquitetura TCP/IP, que é a base real da internet. Quase todo tópico posterior de Redes (endereçamento IP, roteamento, TCP e UDP, protocolos de aplicação) usa o vocabulário deste tópico.

Base de referência

• Recomendação ITU-T X.200, equivalente à norma ISO/IEC 7498-1 (Modelo de Referência para Interconexão de Sistemas Abertos), que define as sete camadas do modelo OSI [1]. A ISO é uma norma paga, por isso o guia explica o conteúdo com palavras próprias.
• RFC 1122, Requirements for Internet Hosts, da IETF (Internet Engineering Task Force, o grupo que padroniza os protocolos da internet), que descreve as camadas da arquitetura TCP/IP [2]. É um padrão aberto e gratuito.

Conteúdo

Conceitos iniciais de redes de computadores

Uma repartição com dez servidores e uma só impressora tem um problema simples: cada pessoa precisaria levar o arquivo num pen drive até o computador ligado à impressora. A solução é ligar os computadores entre si para que eles troquem dados e compartilhem recursos. Uma rede de computadores é um conjunto de dispositivos autônomos interligados por um meio de comunicação, capazes de trocar informações e compartilhar recursos (arquivos, impressoras, acesso à internet). A palavra "autônomos" importa: cada computador funciona sozinho, e a rede só liga uns aos outros.

Os elementos de uma rede se dividem em três grupos. Os sistemas finais (ou hospedeiros, em inglês hosts) são os equipamentos nas pontas, que geram e consomem dados: computadores, celulares, servidores, impressoras. Os equipamentos de interconexão ficam no meio do caminho e encaminham os dados: hub, switch, roteador, ponto de acesso sem fio. Os meios de transmissão ligam tudo: cabo de par trançado, cabo coaxial, fibra óptica e o ar, no caso das redes sem fio.

Os meios de transmissão se dividem em guiados e não guiados. No meio guiado, o sinal segue um caminho físico: o par trançado e o coaxial levam sinal elétrico, e a fibra óptica leva luz. No meio não guiado, o sinal se propaga pelo ar ou pelo vácuo, como nas ondas de rádio do Wi-Fi, nas micro-ondas e nos satélites. A fibra óptica não sofre interferência eletromagnética, porque leva luz e não corrente elétrica, e por isso alcança distâncias maiores com menos perda.

Para que dois equipamentos se entendam, eles seguem um protocolo, isto é, um conjunto de regras que define o formato das mensagens, a ordem em que são trocadas e as ações tomadas ao enviar ou receber cada uma. Um protocolo tem três elementos: a sintaxe (o formato e a ordem dos campos da mensagem), a semântica (o significado de cada campo e a ação que ele provoca) e a temporização (quando enviar e em que velocidade). Dois computadores com o mesmo cabo, mas com protocolos diferentes, não se comunicam.

Classificação pela abrangência.

A classificação mais cobrada divide as redes pela área geográfica que cobrem. O critério é a distância, não a velocidade nem o número de computadores. As faixas de distância variam entre os autores, por isso a prova cobra mais a ordem e os exemplos do que um número exato.

1. PAN (Personal Area Network, rede pessoal): liga dispositivos de uma pessoa, a poucos metros, como o fone Bluetooth ligado ao celular.
2. LAN (Local Area Network, rede local): cobre uma sala, um prédio ou um campus, como a rede de uma repartição. A tecnologia típica é a Ethernet com cabo e o Wi-Fi.
3. MAN (Metropolitan Area Network, rede metropolitana): cobre uma cidade, como a rede que liga as escolas de um município por fibra óptica.
4. WAN (Wide Area Network, rede de longa distância): cobre estados, países ou continentes, como a rede que liga as agências de um banco. A internet é o maior exemplo de interligação de redes.

Há ainda as versões sem fio, com um W na frente: WPAN, WLAN (o Wi-Fi), WMAN e WWAN (a rede de celular). Os termos internet, intranet e extranet não tratam de abrangência, mas de quem acessa. A intranet é uma rede privada de uma organização que usa as mesmas tecnologias da internet (navegador, páginas web), e a extranet é a parte da intranet aberta a parceiros externos autorizados, como fornecedores.

Modos de transmissão.

O sentido em que os dados correm define três modos. Na transmissão simplex, os dados vão num sentido só, como no sinal da TV aberta. Na half-duplex, os dois lados transmitem, mas um de cada vez, como no rádio comunicador em que cada um fala e diz "câmbio". Na full-duplex, os dois lados transmitem ao mesmo tempo, como numa ligação de telefone.

Quanto ao número de destinatários, a mensagem pode ser unicast (de um para um), multicast (de um para um grupo que se inscreveu) ou broadcast (de um para todos da rede). O broadcast alcança todos os equipamentos do mesmo segmento, mesmo os que não têm interesse na mensagem; o multicast alcança só os membros do grupo.

Comutação de circuitos e de pacotes.

Quando a origem e o destino não estão ligados por um cabo direto, os dados atravessam vários equipamentos. A forma de reservar ou não o caminho define a comutação. Na comutação de circuitos, a rede estabelece um caminho dedicado antes da conversa e reserva os recursos desse caminho até o fim, como na telefonia fixa tradicional. A vantagem é a taxa garantida e o atraso constante; o limite é o desperdício, porque os recursos ficam reservados mesmo quando ninguém fala.

Na comutação de pacotes, a mensagem é dividida em pedaços chamados pacotes, e cada pacote disputa os enlaces com os pacotes de outras conversas, sem reserva. Cada equipamento recebe o pacote inteiro, guarda-o e depois o repassa, num funcionamento chamado armazena e encaminha (store-and-forward). A vantagem é o uso eficiente dos enlaces, porque o recurso só é usado quando há dado. O limite é o atraso variável: quando muitos pacotes chegam juntos, eles esperam numa fila, e se a fila enche, pacotes são descartados, como acontece na internet, que usa comutação de pacotes.

Taxa, vazão e atrasos.

A taxa de transmissão (ou largura de banda, no uso comum de redes) é a quantidade de bits que o enlace consegue colocar no meio por segundo, medida em bits por segundo (bps, kbps, Mbps, Gbps). A vazão (throughput) é a taxa que de fato chega ao destino, e ela fica limitada pelo enlace mais lento do caminho, chamado gargalo. Nas taxas de transmissão, o prefixo é decimal: 1 Mbps é 1.000.000 bits por segundo. Já no tamanho de arquivo, 1 byte tem 8 bits, e a prova costuma pedir essa conversão.

O atraso de um pacote em cada salto soma quatro parcelas:

1. Atraso de processamento: o equipamento lê o cabeçalho e decide para onde mandar o pacote.
2. Atraso de fila: o pacote espera os outros que chegaram antes. É a única parcela que varia muito com o tráfego.
3. Atraso de transmissão: o tempo para colocar todos os bits do pacote no enlace. Depende do tamanho do pacote e da taxa do enlace.
4. Atraso de propagação: o tempo que um bit leva para atravessar o meio de uma ponta à outra. Depende da distância e da velocidade do sinal no meio.

As duas parcelas que a prova pede em conta são a transmissão e a propagação.

Na primeira fórmula, $L$ é o tamanho do pacote em bits e $R$ é a taxa do enlace em bits por segundo. Na segunda, $d$ é a distância em metros e $s$ é a velocidade de propagação no meio, em metros por segundo (perto de 2 × 10⁸ m/s no cobre e na fibra). A troca entre as duas é o erro mais comum: o atraso de transmissão não depende da distância, e o atraso de propagação não depende do tamanho do pacote.

Exemplo resolvido: um pacote de 1.500 bytes sai de Brasília para uma cidade a 2.000 km, por um enlace de 10 Mbps, com velocidade de propagação de 2 × 10⁸ m/s. O processamento e a fila são desprezados.

1. Converte-se o tamanho para bits: 1.500 × 8 = 12.000 bits.
2. Calcula-se a transmissão: 12.000 ÷ 10.000.000 = 0,0012 s, isto é, 1,2 ms.
3. Converte-se a distância para metros: 2.000 km = 2.000.000 m.
4. Calcula-se a propagação: 2.000.000 ÷ 200.000.000 = 0,01 s, isto é, 10 ms.
5. Soma-se: 1,2 ms + 10 ms = 11,2 ms entre o envio do primeiro bit e a chegada do último.

Na prática, um tribunal liga o fórum de uma comarca distante à sede por um enlace de longa distância. Se o enlace dobra de taxa, o tempo para enviar cada petição em PDF cai pela metade, mas o atraso de propagação continua o mesmo, porque a distância e o meio não mudaram. Por isso, uma videoconferência entre continentes tem um atraso mínimo que nenhum aumento de taxa elimina.

A troca mais frequente nesta parte é entre half-duplex e full-duplex, e entre comutação de circuitos e de pacotes. Half-duplex permite os dois sentidos, mas não ao mesmo tempo; quem pensa que half-duplex é "um sentido só" confunde com simplex. A comutação de circuitos reserva o caminho inteiro antes da conversa; a de pacotes não reserva nada.

O erro comum de quem começa é classificar LAN, MAN e WAN pela velocidade ou pelo número de computadores. O critério é a área geográfica: uma LAN pode ser mais rápida que uma WAN, mas isso é consequência, não definição.

Como a banca cobra: a banca troca simplex com half-duplex, classifica redes pela velocidade em vez da área e pede a conta de transmissão e propagação com o tamanho em bytes. Ela também afirma que a comutação de pacotes reserva recursos.

Topologias de redes

Ao montar a rede de um prédio, o técnico precisa decidir como ligar os equipamentos: todos num cabo só, cada um ligado ao vizinho em círculo, todos ligados a um ponto central ou cada um ligado a todos. Essa decisão é a topologia, isto é, a forma como os nós (equipamentos) e os enlaces (ligações) se organizam. A escolha muda o custo de cabo, a facilidade de incluir um computador novo e o que acontece quando um cabo ou um equipamento falha.

A topologia tem dois lados. A topologia física é o desenho real dos cabos e dos equipamentos, o que se vê ao olhar a instalação. A topologia lógica é o caminho que os dados de fato percorrem e a regra de acesso ao meio. As duas podem ser diferentes, e a prova explora essa diferença com frequência.

Barramento.

Na topologia em barramento (bus), todos os nós se ligam a um único cabo, o barramento, e cada mensagem enviada percorre o cabo inteiro e chega a todos os nós. Cada nó lê o endereço de destino e só aceita a mensagem que é sua. Nas pontas do cabo há terminadores, resistores que absorvem o sinal para que ele não reflita e volte pelo cabo. As primeiras redes Ethernet usavam cabo coaxial em barramento.

A vantagem é o baixo custo de cabo e a instalação simples. Os limites são três: só um nó transmite de cada vez, porque o meio é compartilhado; quando dois transmitem juntos, ocorre colisão e os dois precisam repetir; e uma ruptura no cabo principal derruba a rede inteira. Quanto mais nós, mais colisões, e o desempenho cai.

Anel.

Na topologia em anel (ring), cada nó se liga a dois vizinhos, e o último se liga ao primeiro, formando um circuito fechado. Os dados circulam num sentido, de nó em nó, e cada nó regenera o sinal e o repassa, funcionando como um repetidor. O controle de acesso clássico do anel é a passagem de ficha (token passing): uma mensagem especial, a ficha, circula pelo anel, e só o nó que está com a ficha pode transmitir. Por isso não há colisão no anel com ficha.

O limite do anel simples é que a falha de um nó ou de um enlace interrompe o circuito. A solução é o anel duplo, com dois anéis em sentidos opostos: se um trecho se rompe, os nós vizinhos à falha fecham o circuito pelo segundo anel. A tecnologia FDDI, de fibra óptica, usa anel duplo.

Estrela.

Na topologia em estrela (star), cada nó se liga por um cabo próprio a um equipamento central, como um hub ou um switch. É a topologia física mais usada hoje nas redes locais com par trançado. Incluir ou retirar um computador é fácil, e a falha de um cabo afeta só o computador daquele cabo.

O limite é o ponto único de falha: se o equipamento central falha, toda a rede para. O comportamento lógico depende do equipamento central. O hub repete o sinal que recebe por uma porta para todas as outras, por isso a rede com hub é estrela na física e barramento na lógica: todos compartilham o meio e há colisão. O switch lê o endereço de destino de cada quadro e o envia só pela porta do destino, por isso a rede com switch é estrela na física e na lógica.

Malha.

Na topologia em malha (mesh), os nós têm várias ligações entre si, e há mais de um caminho entre dois nós. Na malha completa, cada nó se liga diretamente a todos os outros. Na malha parcial, só alguns nós têm várias ligações, como na internet, em que os roteadores se ligam a vários outros, mas não a todos.

A vantagem da malha é a redundância: se um enlace falha, o tráfego segue por outro caminho. O limite é o custo, que cresce depressa com o número de nós. Numa malha completa com $n$ nós, cada nó precisa de $n-1$ interfaces, e o número de enlaces é dado por:

Nessa fórmula, $E$ é o número de enlaces e $n$ é o número de nós. A divisão por 2 existe porque o enlace entre A e B é o mesmo enlace entre B e A.

Árvore, híbrida e ponto a ponto.

A topologia em árvore (ou hierárquica) liga várias estrelas a um nó raiz, em níveis: o switch central do prédio se liga aos switches de cada andar, e cada switch de andar se liga aos computadores do andar. A falha de um switch de andar isola só aquele ramo, mas a falha da raiz separa os ramos entre si. A topologia híbrida mistura duas ou mais topologias, como estrelas ligadas por um anel. A ligação ponto a ponto une dois nós por um enlace exclusivo, como o enlace entre dois roteadores de cidades diferentes.

Exemplo resolvido: uma empresa quer ligar os roteadores de 6 filiais em malha completa. A conta mostra quantos enlaces e quantas interfaces são necessários.

1. Cada roteador se liga aos outros 5, então cada um precisa de $n-1=6-1=5$ interfaces.
2. Multiplica-se o número de nós pelas interfaces de cada um: 6 × 5 = 30 pontas de cabo.
3. Cada enlace tem duas pontas, então divide-se por 2: 30 ÷ 2 = 15 enlaces.
4. Confere-se pela fórmula: $E=6\times 5÷2=15$.
5. Se a empresa passa para 12 filiais, a conta dá 12 × 11 ÷ 2 = 66 enlaces. Com o dobro de filiais, o número de enlaces passa de 15 para 66.

Na prática, um órgão estadual com 40 unidades não usa malha completa entre todas, porque seriam 40 × 39 ÷ 2 = 780 enlaces. A solução é uma estrela ou uma árvore com a sede no centro, com malha parcial só entre a sede e o centro de dados de reserva, onde a redundância compensa o custo.

A confusão mais comum é entre topologia física e lógica. O cabo que sai de cada computador para um hub desenha uma estrela, mas os dados se comportam como num barramento, porque o hub repete tudo para todos. A rede Token Ring da IBM tinha o caso inverso: os cabos iam a um concentrador central (estrela física), mas a ficha circulava de nó em nó (anel lógico).

O erro comum de quem começa é dizer que a estrela não tem ponto único de falha porque a falha de um cabo afeta só um computador. As duas coisas são verdadeiras ao mesmo tempo: o cabo de um computador não derruba a rede, mas o equipamento central derruba.

Como a banca cobra: a banca afirma que rede com hub é estrela na lógica, troca a passagem de ficha do anel com a colisão do barramento e pede a conta de enlaces da malha completa. Ela também diz que a estrela não tem ponto único de falha.

Modelo OSI

Nos anos 1970, cada fabricante tinha a sua arquitetura de rede, e um computador de uma marca não conversava com o de outra. A ISO (International Organization for Standardization) criou então o modelo OSI (Open Systems Interconnection, interconexão de sistemas abertos), um modelo de referência que divide a comunicação em sete camadas, cada uma com uma função definida. "Sistema aberto" é o sistema que segue padrões públicos e por isso conversa com qualquer outro que siga os mesmos padrões.

O OSI é um modelo, não um protocolo nem um produto. Ele diz o que cada camada deve fazer, mas não diz exatamente como fazer, nem obriga o uso de um protocolo específico. Os protocolos que a ISO criou para o OSI quase não foram adotados; o modelo sobreviveu como linguagem comum para estudar e comparar redes. Quando um técnico diz "problema de camada 2", ele usa o vocabulário do OSI.

Por que dividir em camadas.

A divisão em camadas separa um problema grande em problemas menores. Cada camada oferece serviços à camada de cima e usa os serviços da camada de baixo, por meio de uma interface entre elas. Assim, a camada de cima não precisa saber como a de baixo funciona: trocar o cabo de cobre por fibra muda só a camada física, e o navegador continua igual.

O modelo distingue três ideias: o serviço é o que a camada oferece à de cima, e a interface é como a camada de cima pede esse serviço. O protocolo é a regra de conversa entre camadas do mesmo nível em máquinas diferentes. A camada 4 de um computador conversa, de forma lógica, com a camada 4 do outro computador (comunicação horizontal, par a par), mas os dados de fato descem pelas camadas até o meio físico e sobem do outro lado (comunicação vertical).

As sete camadas, de baixo para cima.

1. Física: transmite os bits brutos pelo meio. Define conectores, tensões elétricas, pulsos de luz, frequências, taxa de bits e o modo de transmissão (simplex, half ou full-duplex). Não entende o que os bits significam.
2. Enlace de dados: organiza os bits em quadros, entrega o quadro ao vizinho do mesmo enlace, detecta erros (com um campo de verificação no fim do quadro) e controla o fluxo entre vizinhos. Usa o endereço físico (endereço MAC, de 48 bits na Ethernet). No padrão IEEE 802, divide-se em duas subcamadas: LLC (controle do enlace lógico, a parte de cima) e MAC (controle de acesso ao meio, a parte de baixo, que decide quem transmite no meio compartilhado).
3. Rede: leva o pacote da origem ao destino final, mesmo atravessando várias redes. Faz o endereçamento lógico (o endereço IP, no caso da internet) e o roteamento, isto é, a escolha do caminho. Também trata do congestionamento na sub-rede.
4. Transporte: entrega os dados fim a fim, de processo para processo, entre as aplicações das duas pontas. Divide a mensagem em segmentos, numera, remonta na ordem, controla fluxo e erros fim a fim e multiplexa várias aplicações (pelas portas, no TCP/IP). É a primeira camada só das pontas: os roteadores do meio não a usam.
5. Sessão: estabelece, mantém e encerra as sessões entre aplicações. Controla o diálogo (quem fala e quando, em half ou full-duplex) e faz a sincronização, com pontos de verificação: se uma transferência longa cai, ela recomeça do último ponto confirmado.
6. Apresentação: cuida da sintaxe e da semântica dos dados, isto é, do formato. Traduz entre representações diferentes (como codificações de caracteres), faz a compressão e a criptografia dos dados.
7. Aplicação: é a camada que fala com os programas do usuário e oferece os serviços de rede: transferência de arquivos, correio eletrônico, acesso à web. O usuário não é parte da camada; o protocolo que o programa usa é.

Uma forma de lembrar a ordem de cima para baixo é a frase "Aplicação Apresenta a Sessão de Transporte à Rede pelo Enlace Físico". Na ordem de baixo para cima, as iniciais são F, E, R, T, S, A, A.

As camadas 1 a 3 formam a parte que lida com a sub-rede de comunicação, e os equipamentos do meio do caminho (roteadores) vão até a camada 3. As camadas 4 a 7 são fim a fim: só existem nos sistemas finais. Por isso, a camada de transporte é chamada de fronteira entre a parte da rede e a parte das aplicações.

Unidades de dados e encapsulamento.

Cada camada acrescenta ao dado recebido de cima um cabeçalho com as informações de controle do seu protocolo. Esse processo é o encapsulamento: o dado da camada de cima vira a carga útil da camada de baixo. O nome genérico da unidade de dados de cada camada é PDU (Protocol Data Unit, unidade de dados do protocolo).

• Aplicação, apresentação e sessão: dados (ou mensagem).
• Transporte: segmento (no UDP, o termo usado é datagrama).
• Rede: pacote (ou datagrama, no IP).
• Enlace: quadro (frame). A camada de enlace acrescenta um cabeçalho e também um trailer, o campo de verificação de erros no fim.
• Física: bit.

No destino, ocorre o desencapsulamento: cada camada lê e retira o seu cabeçalho e entrega o resto à camada de cima. A camada de rede do destino lê só o cabeçalho de rede; ela não abre o segmento.

Equipamentos e camadas.

Cada equipamento de rede trabalha até uma camada, conforme a informação que ele lê para decidir o que fazer. O repetidor e o hub atuam na camada 1: só regeneram e repetem o sinal, sem ler endereço. A ponte (bridge) e o switch atuam na camada 2: leem o endereço MAC do quadro e o enviam só para a porta do destino. O roteador atua na camada 3: lê o endereço IP do pacote e escolhe o caminho entre redes diferentes.

Um domínio de colisão é o trecho em que duas transmissões simultâneas colidem; um domínio de broadcast é o trecho que um broadcast alcança. O hub não separa nenhum dos dois. O switch separa domínios de colisão (cada porta é um domínio), mas repassa o broadcast para todas as portas. O roteador separa domínios de broadcast, porque não repassa broadcast de uma rede para outra.

Exemplo resolvido: um servidor público abre no navegador a página do sistema de processos do órgão. O caminho da requisição pelas camadas do OSI fica assim:

1. Aplicação: o navegador monta a requisição da página no protocolo de acesso à web.
2. Apresentação: os dados são postos no formato combinado e, na conexão segura, cifrados.
3. Sessão: a conversa entre o navegador e o servidor é aberta e mantida.
4. Transporte: a mensagem é dividida em segmentos, numerados e marcados com a porta do serviço web.
5. Rede: cada segmento ganha o cabeçalho com o endereço IP de origem e de destino e vira pacote.
6. Enlace: cada pacote ganha o cabeçalho com o endereço MAC do próximo equipamento (o roteador da rede local) e o trailer, e vira quadro.
7. Física: os bits do quadro são enviados como sinais elétricos pelo cabo.
8. No roteador, o quadro sobe até a camada 3, o roteador lê o IP de destino, escolhe a saída e monta um quadro novo, com novos endereços MAC, para o próximo enlace.

O passo 8 mostra um detalhe que a prova cobra: o endereço IP de origem e de destino se mantém de ponta a ponta, mas o endereço MAC muda a cada salto, porque o enlace só entrega ao vizinho.

Na prática, quando o computador de um servidor não acessa a rede, o técnico testa de baixo para cima. Se a luz da placa de rede está apagada, o problema é de camada 1 (cabo ou porta). Se a luz acende mas o computador não recebe endereço nem fala com o vizinho, o problema pode estar na camada 2 ou 3. Se a rede funciona e só um sistema falha, o problema tende a estar nas camadas de cima.

A diferença que a prova mais explora é entre enlace e rede, e entre transporte e rede. O enlace entrega ao vizinho do mesmo enlace, com endereço físico; a rede entrega ao destino final, com endereço lógico, escolhendo o caminho. O transporte entrega de processo para processo, nas pontas; a rede entrega de máquina para máquina, passando pelos roteadores.

O erro comum é trocar as funções da sessão e da apresentação. A criptografia, a compressão e a tradução de formatos são da apresentação; o controle de diálogo e os pontos de sincronização são da sessão. Outro erro comum é pôr o roteamento na camada de enlace ou a detecção de erros só na camada de transporte: o enlace também detecta erros, mas só no seu trecho.

Como a banca cobra: a banca troca a ordem das camadas, as funções da sessão e da apresentação e a PDU de cada camada. Ela também põe o switch na camada 3 ou o roteador na camada 2 e diz que o switch separa domínios de broadcast.

Arquitetura TCP/IP

Antes do OSI ficar pronto, a rede militar e acadêmica dos Estados Unidos (a ARPANET) já usava um conjunto de protocolos que funcionava: o TCP/IP, nome que junta os dois protocolos principais, o TCP (Transmission Control Protocol) e o IP (Internet Protocol). Esse conjunto cresceu com a internet e venceu na prática. A arquitetura TCP/IP é a pilha de protocolos da internet, organizada em camadas, e o modelo foi escrito depois para descrever protocolos que já existiam.

Essa ordem histórica é a principal diferença de origem entre os dois modelos. No OSI, o modelo veio antes dos protocolos, por isso ele é geral, mas os protocolos não pegaram. No TCP/IP, os protocolos vieram antes, por isso o modelo descreve bem a internet, mas serve mal para descrever outras redes.

As camadas.

O documento da IETF que descreve os hospedeiros da internet (RFC 1122) usa quatro camadas. Os livros e as provas usam nomes diferentes para a camada de baixo, e todos estão corretos:

1. Acesso à rede (também chamada enlace, interface de rede ou host-rede): cuida de entregar o datagrama IP pelo meio físico da rede local, seja Ethernet, Wi-Fi ou outro. O TCP/IP quase não define esta camada: ele usa as tecnologias que já existem. Ela corresponde às camadas física e de enlace do OSI.
2. Internet (ou rede, ou inter-rede): leva o datagrama da origem ao destino, atravessando várias redes, com endereçamento IP e roteamento. O IP oferece serviço sem conexão e de melhor esforço: ele tenta entregar, mas não garante entrega, ordem nem ausência de duplicatas. Corresponde à camada de rede do OSI.
3. Transporte: entrega os dados entre processos das duas pontas, identificados pelas portas. Tem dois protocolos principais: o TCP, orientado a conexão e confiável (confirma, reenvia o que se perdeu, entrega na ordem e controla fluxo e congestionamento), e o UDP, sem conexão e sem garantia de entrega, mais leve e mais rápido. Corresponde à camada de transporte do OSI.
4. Aplicação: reúne os protocolos usados pelos programas, como HTTP (web), DNS (tradução de nomes em endereços IP), SMTP (envio de e-mail), FTP (transferência de arquivos) e SSH (acesso remoto seguro). Corresponde às camadas de sessão, apresentação e aplicação do OSI juntas.

Muitos autores usam um modelo híbrido de cinco camadas: física, enlace, rede, transporte e aplicação. Ele separa a camada de acesso à rede em física e enlace, como no OSI, e mantém o resto do TCP/IP. Quando o enunciado fala em "cinco camadas", ele usa esse modelo híbrido; quando fala em "quatro", usa o modelo original.

Protocolos de cada camada.

A tabela abaixo reúne os protocolos que mais aparecem em prova, com a camada de cada um.

Dois protocolos geram dúvida. O ICMP, usado pelo comando ping para testar se um destino responde, é da camada Internet, embora suas mensagens viajem dentro do datagrama IP. O ARP, que descobre o endereço MAC a partir do endereço IP na rede local, fica entre a camada de acesso à rede e a camada Internet; a RFC 1122 o trata junto com a camada de enlace, e muitos livros o põem na camada Internet. Na prova, a alternativa que põe o ARP numa dessas duas camadas tende a ser aceita; a que o põe na aplicação ou no transporte está errada.

O DHCP, que entrega o endereço IP automaticamente aos computadores, é protocolo de aplicação, mesmo cuidando de endereço de rede, porque é um programa que roda sobre o UDP. O mesmo critério vale para o DNS.

Nos protocolos de roteamento, o critério do transporte põe na aplicação o RIP, que roda sobre o UDP, e o BGP, que roda sobre o TCP. O OSPF não usa transporte: ele roda direto sobre o IP. Por isso, e porque a função deles é o roteamento, muitas bancas põem os protocolos de roteamento na camada Internet. Na prova, siga o critério que o enunciado adota.

Portas mais cobradas.

A camada de transporte usa a porta, um número de 16 bits (de 0 a 65.535), para saber a que aplicação entregar os dados. As portas de 0 a 1.023 são as portas conhecidas, reservadas aos serviços padronizados. A combinação de endereço IP e porta forma o socket, que identifica a ponta de uma comunicação.

• 20 e 21: FTP (20 para dados, 21 para controle), sobre TCP.
• 22: SSH, sobre TCP.
• 23: Telnet, sobre TCP.
• 25: SMTP, sobre TCP.
• 53: DNS, sobre UDP e também TCP.
• 67 e 68: DHCP (67 no servidor, 68 no cliente), sobre UDP.
• 80: HTTP, sobre TCP.
• 110: POP3, sobre TCP.
• 143: IMAP, sobre TCP.
• 443: HTTPS, sobre TCP.

Endereços em cada camada.

Cada camada tem o seu endereço, e a camada de transporte usa a porta, que identifica o processo. A camada Internet usa o endereço IP (32 bits no IPv4, 128 bits no IPv6), que identifica a interface do computador na rede inteira e permite o roteamento. A camada de acesso à rede usa o endereço MAC (48 bits na Ethernet), gravado na placa de rede, que só tem sentido na rede local. A camada de aplicação usa nomes, como o nome de domínio de um site, que o DNS traduz em endereço IP.

Encapsulamento no TCP/IP e cabeçalhos.

O encapsulamento segue a mesma lógica do OSI. A aplicação entrega a mensagem ao transporte, que acrescenta o cabeçalho TCP (20 bytes, sem opções) ou UDP (8 bytes). A camada Internet acrescenta o cabeçalho IPv4 (20 bytes, sem opções; o IPv6 tem cabeçalho fixo de 40 bytes). A camada de acesso à rede, na Ethernet, acrescenta um cabeçalho de 14 bytes (MAC de destino, MAC de origem e tipo) e um trailer de 4 bytes (o FCS, campo de verificação de erros).

A carga útil máxima de um quadro Ethernet comum é de 1.500 bytes, valor chamado MTU (Maximum Transmission Unit, unidade máxima de transmissão). Com os cabeçalhos IPv4 e TCP de 20 bytes cada, sobram 1.460 bytes para os dados da aplicação em cada segmento, valor chamado MSS (Maximum Segment Size, tamanho máximo do segmento).

Exemplo resolvido: um servidor web responde com uma mensagem HTTP de 1.000 bytes, enviada sobre TCP e IPv4 numa rede Ethernet. Os cabeçalhos não têm opções.

1. Segmento TCP: 1.000 + 20 = 1.020 bytes.
2. Pacote IPv4: 1.020 + 20 = 1.040 bytes. O pacote cabe na MTU de 1.500 bytes, então não há fragmentação.
3. Quadro Ethernet: 1.040 + 14 + 4 = 1.058 bytes.
4. Bytes de controle: 1.058 - 1.000 = 58 bytes, isto é, 20 + 20 + 18.
5. Se o mesmo dado fosse enviado sobre UDP, o quadro teria 1.000 + 8 + 20 + 18 = 1.046 bytes, 12 bytes a menos, porque o cabeçalho UDP tem 8 bytes e o TCP tem 20.

Na prática, o sistema de emissão de certidões de um órgão usa HTTPS sobre TCP, porque um documento com um byte faltando não serve: o TCP confirma e reenvia o que se perde. Já a videoconferência das audiências usa, em geral, UDP, porque um quadro de vídeo que chega atrasado não tem mais utilidade, e reenviá-lo só aumentaria o atraso. A consulta DNS usa UDP pela rapidez, e o próprio programa repete a pergunta se não receber resposta.

Comparação entre OSI e TCP/IP.

Os dois modelos têm camada de transporte e camada de rede com funções parecidas, e os dois usam encapsulamento. As diferenças que a prova cobra são estas:

1. O OSI tem sete camadas; o TCP/IP tem quatro (ou cinco, no modelo híbrido).
2. O OSI separa sessão e apresentação; o TCP/IP põe essas funções dentro da aplicação, e cada aplicação faz a sua parte, se precisar.
3. O OSI veio antes dos protocolos e é de uso didático; o TCP/IP descreve protocolos que já existiam e é o padrão de fato da internet.
4. O OSI distingue com clareza serviço, interface e protocolo; o TCP/IP não fez essa distinção no começo.
5. No OSI, a camada de rede oferece serviço orientado a conexão e sem conexão, e a camada de transporte só orientado a conexão. No TCP/IP, a camada Internet só oferece serviço sem conexão (o IP), e a camada de transporte oferece os dois (TCP e UDP).

O item 5 é o mais traiçoeiro. Ele mostra que o TCP/IP põe a escolha entre conexão e não conexão nas mãos da aplicação, pela escolha entre TCP e UDP, e deixa a rede simples.

O erro comum de quem começa é achar que o TCP/IP também tem camadas de sessão e de apresentação, ou que a criptografia de um site seguro está numa camada própria do TCP/IP. No TCP/IP, essas funções ficam na camada de aplicação ou entre a aplicação e o transporte, como faz o TLS, que cifra os dados do HTTPS. Outro erro comum é dizer que o IP garante a entrega: quem garante é o TCP, na camada de cima.

Como a banca cobra: a banca pede o número e o nome das camadas, a correspondência com o OSI e a camada de cada protocolo, em especial ICMP, ARP, DHCP e DNS. Ela também troca o serviço com conexão e sem conexão entre os dois modelos e pede o tamanho de cabeçalhos no encapsulamento.

Quadros e comparações

A tabela abaixo compara as topologias físicas.

A tabela abaixo mostra as camadas do OSI, a correspondência no TCP/IP e o equipamento típico.

A tabela abaixo compara os equipamentos de interconexão.

A tabela abaixo resume as diferenças entre os dois modelos.

A tabela abaixo compara os modos de transmissão e as formas de comutação.

Para decorar

Pegadinhas

Fontes e data

• [1] Recomendação ITU-T X.200, Information technology, Open Systems Interconnection, Basic Reference Model, equivalente à ISO/IEC 7498-1.
• [2] RFC 1122, Requirements for Internet Hosts, Communication Layers, IETF.

Texto conferido em 15/10/2026.