Os modelos OSI e TCP/IP

Uma troca pela rede exige várias tarefas, desde criar uma mensagem até enviar sinais. Um modelo em camadas separa essas tarefas. Cada camada usa o serviço imediatamente abaixo e fornece um serviço à camada imediatamente acima.

Mantenha as tarefas separadas

Um notebook pode passar do Wi-Fi para a Ethernet enquanto seu navegador continua usando o mesmo protocolo web. O método de entrega local muda sem alterar o serviço de aplicação. Padrões publicados também permitem que sistemas de diferentes fornecedores funcionem juntos, o que se chama interoperabilidade, e dão aos técnicos um vocabulário compartilhado, como “falha na camada 2”. Projetistas e estudantes podem examinar uma tarefa de cada vez.

Um protocolo define formatos, ordem e respostas das mensagens. Um conjunto de protocolos agrupa protocolos que trabalham juntos, como o TCP/IP. Um modelo de referência descreve funções de comunicação sem prescrever uma implementação.

O modelo de interconexão de sistemas abertos (OSI) vem da Organização Internacional de Normalização (ISO). Sua primeira edição surgiu como ISO 7498 em 1984; a referência básica posterior é a ISO/IEC 7498-1:1994, também publicada como UIT-T X.200. O tráfego da internet usa o conjunto TCP/IP; o OSI fornece o vocabulário de sete camadas usado para descrevê-lo.

Acompanhe a pilha

Numere as camadas de baixo para cima, a partir do meio:

1. Física
2. Enlace de dados
3. Rede
4. Transporte
5. Sessão
6. Apresentação
7. Aplicação

“Fui Estudar Redes, Trouxe Suco Para Aprender” ajuda a lembrar a ordem 1–7. “Ana Prefere Suco, Tomás Refrigera, Elisa Ferve” ajuda a lembrar a ordem 7–1. As camadas 1–3 são frequentemente chamadas de camadas de meio e as 4–7 de camadas de host.

Um emissor percorre a pilha de cima para baixo, da aplicação até a física. Os sinais atravessam o meio, e o receptor percorre a pilha de baixo para cima. Camadas correspondentes são pares lógicos: as duas implementações de TCP seguem as regras do TCP, embora os dados reais percorram IP, enlaces locais e sinais entre elas.

Imagine a passagem dos dados

Uma pessoa escreve uma carta, um envelope endereçado permite a entrega e veículos a transportam. O motorista pode transportar a carta lacrada sem entender seu conteúdo. Da mesma forma, cada camada inferior transporta os dados da camada superior como carga útil e adiciona informações de controle, geralmente um cabeçalho.

Protocolos reais podem combinar funções. O TLS realiza a criptografia associada à apresentação, enquanto o ARP liga a entrega local por MAC ao endereçamento IP. Seu posicionamento depende de sua função e do modelo usado.

As três primeiras camadas OSI transportam dados pela rede. Elas descrevem três unidades de trabalho diferentes: sinais, quadros locais e pacotes que podem atravessar redes.

Camada 1: enviar bits como sinais

A camada física representa bits usando sinais elétricos no cobre, luz na fibra ou ondas de rádio no Wi-Fi. Ela define detalhes como conectores, disposições de pinos, níveis de sinal, frequências e taxas de bits. Uma conexão Ethernet de par trançado pode usar um conector RJ45 e operar a 1 Gbit/s.

A transmissão física não toma decisões com base em endereços MAC ou IP. Um sinal transporta uma sequência de bits; as camadas superiores determinam como esses bits formam mensagens e a quem elas se destinam.

Camada 2: entregar um quadro no enlace local

A camada de enlace de dados coloca dados em quadros para entrega em um enlace local ou segmento de rede. Ethernet e Wi-Fi usam endereços MAC para identificar interfaces. Um endereço MAC usual tem 48 bits, escritos como seis pares hexadecimais, como 00:1A:2B:3C:4D:5E.

O IEEE descreve duas subcamadas da camada 2. O controle de enlace lógico (LLC) fornece a interface com a camada 3 e funções de identificação de protocolos. O controle de acesso ao meio (MAC) cuida do endereçamento local e do acesso ao meio. Ethernet é IEEE 802.3; Wi-Fi é IEEE 802.11. Ambos incluem funções físicas e de enlace de dados. PPP é outro protocolo de enlace de dados, usado em enlaces ponto a ponto.

A Ethernet adiciona uma sequência de verificação de quadro (FCS) ao final de um quadro. O receptor usa essa verificação para detectar alterações nos dados. Se a verificação falhar, o quadro é descartado. A Ethernet padrão não reenvia o quadro para reparar essa perda; um protocolo de camada superior, como TCP, pode recuperar dados ausentes quando é necessária confiabilidade.

Camada 3: alcançar um host através de redes

A camada de rede empacota dados em pacotes. Ela usa endereços lógicos: endereços IPv4 contêm 32 bits e endereços IPv6 contêm 128 bits. O roteamento escolhe como os pacotes viajam entre redes. Um roteador lê o endereço IP de destino e seleciona um caminho em sua direção.

IPv4 e IPv6 pertencem a essa camada, assim como ICMP, que transporta mensagens de controle e erro usadas por ferramentas como ping. IPsec protege o tráfego IP. O tempo de vida (TTL) do IPv4 e o limite de saltos do IPv6 impedem loops infinitos de encaminhamento: cada roteador reduz o valor em um, e um pacote cujo valor expira é descartado.

Acompanhe uma solicitação sem fio

Um notebook solicita uma página de um servidor em outra rede. O sinal de rádio que sai do notebook é da camada 1. Seu quadro Wi-Fi chega ao ponto de acesso na camada 2. O ponto de acesso faz a ponte do tráfego para a Ethernet, onde um quadro o transporta em direção ao roteador local. O pacote IP interno identifica o notebook e o servidor remoto como seus dispositivos finais.

O endereço IP de um servidor remoto pode permanecer em um pacote enquanto cada roteador constrói um novo quadro para o próximo enlace. Tratar o endereço MAC como destino de ponta a ponta confunde a tarefa de entrega local com o roteamento.

As camadas superiores do OSI descrevem a entrega a programas e os serviços que esses programas usam. Uma rota IP funcional alcança um host; ela, por si só, não identifica o programa receptor nem explica o formato da mensagem.

Camada 4: alcançar o programa

A camada de transporte entrega dados entre processos, ou seja, programas em execução, usando números de porta. O TCP fornece entrega confiável e ordenada de um fluxo de bytes e divide os dados em segmentos. O UDP transporta datagramas independentes.

A multiplexação de transporte permite que um navegador, um cliente de e-mail e um programa de chamadas compartilhem uma interface, mantendo suas comunicações distintas. O endereço IP identifica um host; as informações de transporte identificam o serviço ou a comunicação nesse host.

Camadas 5 e 6: gerenciar e representar

A camada de sessão, camada 5, estabelece, gerencia e encerra diálogos entre aplicações. O controle de diálogo determina qual lado envia dados em cada momento; pontos de verificação permitem que uma troca interrompida seja retomada a partir de um ponto registrado. RPC e o serviço de sessão NetBIOS são exemplos comuns de funções de sessão.

A camada de apresentação, camada 6, cuida da representação, compressão e criptografia. ASCII e UTF-8 representam texto; JPEG e PNG representam imagens; MPEG representa vídeo. A compressão reduz a quantidade a ser enviada. A criptografia TLS costuma ser associada à apresentação em descrições OSI.

Camada 7: fornecer um serviço de rede

A camada de aplicação contém protocolos usados diretamente pelos programas. HTTP e HTTPS atendem à web; SMTP envia e-mail; IMAP e POP3 recuperam mensagens. DNS resolve nomes, DHCP fornece configurações automáticas de rede, FTP e SFTP transferem arquivos e SSH fornece acesso remoto seguro pela linha de comando.

Um navegador é o programa que usa HTTP. HTTP é seu protocolo de rede. Tratar o programa inteiro como a camada incluiria ações locais do navegador que nunca se comunicam pela rede.

Analise uma troca de e-mail

TCP 587 é uma porta comum para envio de mensagens, normalmente atualizada para TLS com STARTTLS. No TCP/IP, as funções de sessão e apresentação pertencem à aplicação. Essas linhas do OSI descrevem funções, portanto não precisam corresponder a quatro módulos de software separados.

OSI e TCP/IP agrupam as mesmas tarefas de comunicação de formas diferentes. Relacione as funções para comparar seus diagramas.

Quatro camadas da internet

O TCP/IP surgiu de pesquisas financiadas pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos Estados Unidos (DARPA) na década de 1970. A ARPANET o adotou em 1º de janeiro de 1983. As especificações aparecem como solicitações de comentários (RFCs), e o trabalho de padronização da internet ocorre por meio da Força-Tarefa de Engenharia da Internet (IETF). TCP e IP dão nome ao conjunto, que também inclui UDP, ICMP, ARP, DNS e outros protocolos.

A RFC 1122 descreve quatro camadas:

A aplicação inclui HTTP, DNS e SMTP. O transporte inclui TCP e UDP; a internet inclui IP e ICMP; o enlace inclui Ethernet e Wi-Fi. Enlace também é chamado de acesso à rede ou interface de rede, e alguns livros chamam internet de “rede”.

Associar a aplicação TCP/IP apenas à camada 7 OSI deixaria de fora as funções de sessão e apresentação. Elas continuam ocorrendo, mas o TCP/IP as agrupa com as aplicações que precisam delas.

Por que aparece uma quinta camada

O modelo didático de cinco camadas divide enlace em enlace de dados e física. Sua ordem completa é aplicação, transporte, rede, enlace de dados e física. Kurose e Ross e muitos cursos de redes o usam para distinguir a formação de quadros locais da sinalização. Suas quatro camadas inferiores correspondem individualmente às camadas OSI 1–4.

O OSI foi projetado como uma estrutura geral de referência antes de existir a maioria dos protocolos associados. O modelo TCP/IP descreve um conjunto que já estava em uso. Isso ajuda a explicar por que o OSI apresenta categorias separadas para as camadas superiores, enquanto o software da internet costuma combinar suas funções.

Relacione uma troca HTTPS às camadas

Para HTTP/2 sobre HTTPS, HTTP e TLS pertencem à aplicação TCP/IP. O TCP fornece a entrega de transporte à porta 443 do servidor. O IP fornece o endereçamento de internet; a Ethernet fornece a formação de quadros e a sinalização de enlace.

Profissionais de redes continuam usando a numeração OSI em descrições numeradas: “roteamento de camada 3”, “comutador de camada 2” ou “balanceador de carga de camada 7”. Contar a internet como a segunda camada de baixo para cima no TCP/IP de quatro camadas levaria a uma interpretação errada dessa forma abreviada.

Para posicionar um protocolo, pergunte primeiro qual função ele desempenha. Depois, examine o que transporta suas mensagens. O transporte muitas vezes restringe as possibilidades, mas a função decide quando um protocolo combina tarefas ou é construído sobre outro protocolo de transporte.

Comece pela função principal

HTTP, DNS, DHCP, FTP, SFTP, TFTP, SSH, Telnet, SMTP, IMAP, POP3, SNMP, NTP, LDAP, SMB, RDP, SIP e syslog fornecem serviços às aplicações. Eles pertencem à camada de aplicação OSI e à camada de aplicação TCP/IP. Codificações de caracteres como ASCII e UTF-8, formatos de mídia como JPEG e MPEG e criptografia descrevem funções de apresentação; RPC é um exemplo comum de sessão.

TCP e UDP desempenham funções de transporte. IPv4, IPv6, ICMP, ICMPv6, tunelamento GRE e AH e ESP do IPsec desempenham funções de rede/internet. O OSPF troca informações de roteamento diretamente em IP e também é situado na camada 3.

Formação de quadros Ethernet, funções MAC do Wi-Fi, PPP, marcação de VLAN (802.1Q) e Protocolo de árvore de expansão (STP) são funções de enlace de dados. Sinalização em cobre ou fibra, conectores, 1000BASE-T e transmissão de rádio Wi-Fi são funções físicas. Ethernet e Wi-Fi abrangem as duas camadas inferiores.

Diferencie um serviço das informações com que ele lida

O DNS (sistema de nomes de domínio) consulta informações sobre nomes, incluindo endereços IP, mas atende às aplicações e trafega pela porta 53 de UDP ou TCP. O DHCP (protocolo de configuração dinâmica de hosts) fornece configurações IP, mas suas mensagens usam a porta UDP 67 do servidor e a porta UDP 68 do cliente. Lidar com um endereço IP não torna nenhum dos dois serviços um protocolo da camada de rede.

O ICMP (protocolo de mensagens de controle da internet) informa sobre a entrega IP e transporta mensagens de eco para ping. Ele é transportado diretamente por IP e não tem portas TCP ou UDP. Seu posicionamento na camada de rede decorre de sua função de controle, não da presença de um cabeçalho separado dentro de IP.

Posicione protocolos que atravessam uma fronteira

O ARP (protocolo de resolução de endereços) encontra o endereço MAC associado a um endereço IPv4 no enlace local. Suas mensagens são transportadas diretamente em quadros Ethernet, sem cabeçalho IP. O ARP apoia a entrega IP por meio da entrega MAC local, então é situado por convenção na camada 2; o rótulo informal “camada 2,5” descreve essa função na fronteira entre camadas.

O TLS fornece criptografia. Para HTTP/1.1 e HTTP/2, o HTTPS transporta HTTP dentro de TLS sobre TCP. O TLS pertence à camada de aplicação TCP/IP e costuma ser associado à apresentação OSI. A palavra “transporte” em seu nome completo, protocolo de segurança da camada de transporte, não faz do TLS um protocolo par do TCP ou UDP.

O QUIC é transportado dentro de UDP, mas fornece funções de transporte, incluindo fluxos confiáveis e gerenciamento de conexões. O HTTP/3 usa QUIC, com uma negociação TLS 1.3 incorporada ao estabelecimento do QUIC e criptografia dos pacotes QUIC. É por isso que “dentro de UDP” é uma pista útil, não um teste universal para posicionamento na camada de aplicação.

Pelo mesmo motivo, o SSH permanece na camada de aplicação, embora inclua criptografia. A finalidade completa de um protocolo importa: acesso remoto seguro é um serviço de aplicação, enquanto a criptografia, por si só, é uma função de apresentação.

Quando os dados descem por uma pilha, cada camada adiciona as informações necessárias para sua própria função. Encapsulamento é esse processo de envolver os dados. A unidade completa da camada superior torna-se a carga útil da camada seguinte, isto é, o conteúdo transportado.

Construa de dentro para fora

Um cabeçalho vem antes da carga útil. Um rodapé vem depois dela. Em uma pilha Ethernet/IP/TCP, TCP e IP adicionam um cabeçalho cada um; a Ethernet adiciona tanto um cabeçalho quanto um rodapé FCS. A transmissão física representa o quadro resultante como bits em sinais.

A unidade em uma determinada camada é sua unidade de dados de protocolo (PDU). Use estes nomes ao acompanhar uma solicitação:

Suponha que um programa envie uma solicitação HTTP sobre TCP. O TCP adiciona seu cabeçalho, incluindo portas e informações de sequência. O IPv4 adiciona seu cabeçalho ao redor desse segmento. A Ethernet adiciona seu cabeçalho ao redor do pacote e uma FCS após ele. A solicitação permanece dentro de cada unidade maior; as camadas não a substituem por mensagens sem relação com ela.

Identifique o próximo protocolo

O receptor precisa de uma forma de escolher qual protocolo tratará a carga útil. O EtherType da Ethernet identifica IPv4 como 0x0800, IPv6 como 0x86DD e ARP como 0x0806. Portanto, o ARP passa diretamente da Ethernet para o processamento ARP, sem passar pelo IP.

O campo protocolo do IPv4 identifica TCP com 6, UDP com 17 e ICMP com 1. O IPv6 chama seu campo correspondente de próximo cabeçalho. Após o processamento de transporte, uma porta de destino como TCP 443 identifica o serviço receptor.

Esses são três seletores diferentes. O EtherType escolhe o protocolo dentro de um quadro; o campo IP escolhe o protocolo dentro de um pacote; a porta de destino seleciona o programa receptor. Portas TCP e UDP não aparecem em mensagens ICMP.

Desencapsule no receptor

O desencapsulamento remove primeiro a camada mais externa. A interface recebe sinais e recupera bits. A Ethernet verifica a FCS e usa o EtherType para entregar a carga útil ao IP. O IP verifica as informações de entrega e passa a carga útil ao protocolo de transporte indicado. O TCP processa seu cabeçalho e entrega os bytes de aplicação ao programa receptor.

A FCS é um valor de verificação de redundância cíclica (CRC) de 32 bits para detectar quadros danificados. Ela é removida junto com as informações do quadro local e não é entregue como parte da mensagem da aplicação.

Antes de cada quadro Ethernet, a camada física envia um preâmbulo de 7 bytes e um delimitador de início de quadro (SFD) de 1 byte para sincronização. Esses oito bytes ficam fora do tamanho contabilizado do quadro Ethernet.

Um comutador lê informações do quadro para encaminhá-lo localmente. Um roteador remove o quadro recebido, examina o IP e cria outro quadro para o próximo enlace. Um host final processa a pilha até chegar à aplicação. Descrever a função normal de cada camada ajuda a explicar por que um roteador pode encaminhar conteúdo criptografado sem ler a mensagem da aplicação.

Os cabeçalhos ocupam espaço junto com os dados de aplicação. Para calcular o tamanho transmitido, identifique a pilha, anote os tamanhos dos cabeçalhos e trabalhe de dentro para fora. Tanto o maior pacote permitido quanto o menor quadro Ethernet permitido afetam o resultado.

Saiba o que cada tamanho inclui

Os cabeçalhos IPv4 e TCP podem chegar a 60 bytes cada um com opções. A MTU, ou unidade máxima de transmissão, considera o pacote da camada 3. A Ethernet padrão tem MTU de 1.500 bytes, resultando em um quadro de 1.518 bytes com seus 18 bytes de sobrecarga de enlace, ou 1.522 bytes com uma etiqueta de VLAN. Quando habilitados, quadros jumbo costumam usar uma MTU de 9.000 bytes.

O MSS, tamanho máximo de segmento, considera os dados de aplicação TCP. Sem opções IP ou TCP, a carga útil TCP disponível é:

Para IPv6 sem cabeçalhos de extensão ou opções TCP, é:

Adicionar a sobrecarga Ethernet à MTU superestimaria o espaço disponível dentro do pacote.

Calcule um quadro de dentro para fora

Para 1.000 bytes de dados HTTP sobre TCP, IPv4 e Ethernet sem etiqueta, sem opções:

1. Segmento TCP: 1.020 bytes, dos dados mais 20.
2. Pacote IP: 1.040 bytes, após adicionar mais 20.
3. Quadro Ethernet: 1.058 bytes, após adicionar 18.

A sobrecarga é de 58 bytes. A proporção de dados úteis é:

Com a mesma pilha, uma transferência de aplicação de 4.000 bytes usando um MSS de 1.460 precisa de três segmentos: 1.460, 1.460 e 1.080 bytes de dados. Seus quadros têm 1.518, 1.518 e 1.138 bytes. O total é de 4.174 bytes, incluindo 174 bytes de cabeçalhos e rodapés. Cada segmento precisa de seu próprio conjunto de cabeçalhos.

Mensagens pequenas e quadros mínimos

Uma consulta DNS de 40 bytes sobre UDP e IPv4 torna-se um datagrama de 48 bytes, um pacote de 68 bytes e um quadro Ethernet sem etiqueta de 86 bytes. Sua proporção de dados úteis é de cerca de 46,5%. Uma carga útil TCP completa de 1.460 bytes ocupa cerca de 96,2% de seu quadro de 1.518 bytes.

Quadros Ethernet devem ter pelo menos 64 bytes, com pelo menos 46 bytes de carga útil. Uma confirmação TCP sem dados de aplicação tem um pacote IPv4 de 40 bytes com cabeçalhos mínimos. A Ethernet adiciona 6 bytes de preenchimento antes da FCS, resultando em um quadro de 64 bytes.

Distinga os limites

A segmentação TCP divide dados de aplicação na camada 4. A fragmentação IP divide um pacote na camada 3 quando ele é grande demais para um enlace. Roteadores IPv4 podem fragmentar quando permitido; roteadores IPv6 nunca fragmentam, então o emissor deve se adaptar ao limite de tamanho do caminho.

Os tamanhos de quadro apresentados não incluem o preâmbulo, o SFD e o intervalo de tempo entre quadros. Para converter os bytes de um quadro em bits, multiplique por oito: um quadro de 1.518 bytes contém 12.144 bits.

Um pacote pode atravessar várias redes, mas um quadro Ethernet atende a um enlace local. Acompanhar as duas unidades ao mesmo tempo explica por que um host precisa do endereço IP remoto e de um endereço MAC próximo para a mesma troca.

Enderece o próximo receptor local

Considere um notebook em 192.0.2.10, com o rótulo MAC AA. Um roteador R1 liga sua rede à rede de um servidor. R1 tem o rótulo MAC R1-A no lado do notebook e R1-B no lado do servidor. O servidor é 198.51.100.20, com o rótulo MAC SS. Esses rótulos MAC curtos representam endereços completos de interfaces.

O notebook reconhece que o servidor é remoto. Seu gateway padrão, R1, é o próximo receptor no enlace local. O ARP fornece o endereço MAC do gateway. Para uma conexão TCP com a porta 443 do servidor, os endereços nas unidades aninhadas são:

O notebook não usa SS como MAC de destino local. SS pertence ao host final em outra rede; R1-A pertence ao dispositivo que pode receber esse primeiro quadro.

Passe por um comutador e um roteador

Um comutador de camada 2 lê o MAC de destino, encontra a porta em direção a R1-A e encaminha o quadro. A comutação comum não substitui os endereços MAC de origem e destino.

R1 verifica a FCS do quadro recebido e remove seu cabeçalho e rodapé. Ele lê o IP de destino, consulta a rota e reduz o TTL em um. Em seguida, cria um novo quadro no enlace do lado do servidor. Esse quadro tem R1-B como origem e SS como destino, aprendido por ARP. Sua FCS cobre esse novo quadro.

Os endereços IP de origem e destino e as portas TCP permanecem iguais nesse caminho roteado comum. O cabeçalho IP não permanece totalmente inalterado: o TTL diminui e a soma de verificação do cabeçalho IPv4 é atualizada. A tradução de endereços de rede (NAT) é uma exceção à preservação dos endereços dos dispositivos finais, pois reescreve endereços IP e, muitas vezes, portas.

Conte saltos por roteadores com TTL

Um pacote enviado com TTL 64 chega ao destino com TTL 61 após três encaminhamentos por roteadores. Se um roteador reduzir o TTL a zero, ele descarta o pacote e normalmente retorna uma mensagem ICMP de tempo excedido. O IPv6 usa um campo de limite de saltos com a mesma finalidade de limitar loops.

traceroute no Linux ou macOS e tracert no Windows usam sondas com valores variáveis de TTL para descobrir os saltos que respondem. Um * significa que nenhuma resposta chegou para aquela sonda. O roteador ainda pode encaminhar tráfego enquanto filtra ou limita respostas de diagnóstico, então compare respostas posteriores e testes do serviço antes de apontar um ponto de falha.

Retorne ao cliente

O servidor remove o quadro local e processa o pacote e o segmento TCP até chegar ao serviço web. Uma resposta inverte os papéis dos dispositivos finais: o IP e a porta do servidor passam a ser a origem, e o IP e a porta de cliente do notebook passam a ser o destino. Os roteadores criam novamente quadros para seus enlaces de saída. O caminho de retorno pode usar roteadores diferentes, mas cada quadro local continua endereçado ao seu próximo receptor.

TCP e UDP usam portas para transportar dados entre programas na camada 4. A escolha depende do que a aplicação precisa quando pacotes atrasam, são perdidos ou chegam fora de ordem.

O que o TCP fornece

O protocolo de controle de transmissão (TCP) é orientado à conexão. Um estabelecimento de conexão em três etapas, SYN, SYN-ACK e ACK, configura a conexão antes da troca normal de dados. Confirmações informam ao emissor o que chegou, e a retransmissão recupera dados ausentes. Informações de sequência permitem que o TCP apresente os bytes em ordem.

O controle de fluxo protege um receptor de um emissor rápido demais. O controle de congestionamento ajusta o envio à carga da rede. São problemas diferentes: um diz respeito à capacidade do host receptor; o outro diz respeito à rede que transporta o tráfego. O cabeçalho TCP tem 20 bytes sem opções e pode chegar a 60 bytes.

O TCP fornece um fluxo de bytes confiável e ordenado, mas uma falha na conexão ainda pode deixar uma aplicação com um arquivo incompleto. A aplicação deve tratar a falha ou retomar a operação; o TCP não consegue fazer um caminho indisponível entregar dados.

O que o UDP fornece

O protocolo de datagramas do usuário (UDP) é sem conexão. Ele envia datagramas independentes sem estabelecimento de conexão, confirmações, retransmissão ou reordenação na camada de transporte. Seu cabeçalho de 8 bytes contém porta de origem, porta de destino, comprimento e soma de verificação.

O UDP pode oferecer suporte a tráfego de um para um, broadcast e multicast. Uma conexão TCP liga dois dispositivos finais. O cabeçalho menor do UDP e a ausência de recuperação incorporada reduzem a sobrecarga de transporte, mas “não confiável” descreve sua falta de garantias de entrega, não uma expectativa de que a maior parte do tráfego será perdida.

Escolha conforme o prazo da aplicação

Um pacote de voz ao vivo pode conter 20 ms de som. Se ele for perdido, uma substituição que chegue 100 ms depois chegará tarde demais para sua reprodução. Uma chamada pode continuar com uma pequena lacuna, tornando o UDP uma escolha útil. Um documento baixado precisa de todos os seus bytes em ordem, então a recuperação do TCP é adequada à tarefa.

Solicitações curtas, como DNS, DHCP, NTP e SNMP, também costumam usar UDP. O DNS usa ainda a porta TCP 53 para transferências de zona e quando uma resposta precisa de TCP. O estabelecimento de chamadas SIP pode usar UDP ou TCP na porta 5060.

As aplicações podem adicionar funções sobre UDP. O TFTP confirma seus blocos, e o QUIC fornece conexões confiáveis e criptografadas sobre UDP. Portanto, ver UDP em uma captura não significa que a aplicação não tenha recuperação.

Vídeo sob demanda muitas vezes armazena conteúdo antecipadamente em buffer e usa HTTPS sobre TCP ou HTTP/3 sobre QUIC. “Vídeo significa UDP” ignora a diferença entre uma conversa ao vivo com prazo imediato e vídeo armazenado com tempo para recuperar dados ausentes.

Um endereço IP identifica um host, mas muitos programas podem usá-lo ao mesmo tempo. TCP e UDP adicionam números de porta de origem e destino para que os dados recebidos possam chegar ao serviço ou à comunicação correta.

Separe serviços e comunicações de clientes

Uma porta é um número de 16 bits de 0 a 65.535. Um servidor escuta o tráfego em uma porta conhecida, como TCP 443 para HTTPS. Um cliente normalmente escolhe uma porta de origem temporária, chamada de porta efêmera, ao abrir uma conexão.

A RFC 6335 agrupa os números da seguinte forma:

A IANA atribui portas de sistema e de usuário; portas dinâmicas não são atribuídas. A faixa dinâmica e a faixa de portas temporárias efetivamente usada por um sistema operacional são conceitos distintos. Por padrão, o Windows usa 49152–65535 para portas temporárias, enquanto o Linux costuma usar 32768–60999. Um administrador pode alterar essas configurações.

Identifique um dispositivo final e uma conexão

Um socket identifica um ponto final de transporte pelo endereço IP, pela porta e pelo protocolo de transporte. Por exemplo, TCP 198.51.100.20:443 identifica um ponto final de servidor HTTPS. TCP 53 e UDP 53 são portas separadas porque TCP e UDP têm espaços de numeração distintos.

Uma conexão é identificada usando a 5-tupla: IP de origem, porta de origem, IP de destino, porta de destino e protocolo de transporte. Esses valores distinguem as comunicações mesmo quando vários clientes usam uma porta de servidor.

Suponha que 192.0.2.10 abra duas conexões TCP para 198.51.100.20:443. Uma usa a porta de cliente 51514 e a outra usa 51515. Seu ponto final no servidor é idêntico, mas suas portas de origem são diferentes. O servidor pode, portanto, retornar cada resposta à conexão correta. Alguns navegadores reutilizam conexões; o exemplo descreve duas conexões distintas que foram abertas.

Em uma resposta da primeira comunicação, a origem passa a ser 198.51.100.20:443 e o destino passa a ser 192.0.2.10:51514. A porta 443 não se torna a porta do cliente apenas porque a direção foi invertida.

Interprete as evidências de porta com cuidado

Um serviço configurado pode usar uma porta não padrão. HTTP pode usar 8080 e SSH pode usar 2222. O número sugere um serviço convencional, mas não comprova o conteúdo que está sendo enviado. Um firewall que examina apenas portas faz uma classificação limitada; a inspeção de aplicações pode examinar o próprio tráfego.

Uma porta física de comutador é uma conexão de cabo em uma interface. Uma porta de transporte é um número em um cabeçalho TCP ou UDP. Trocar um cabo afeta a conectividade física, enquanto permitir TCP 443 altera qual tráfego de transporte pode passar. A palavra “porta” usada nos dois casos não faz deles o mesmo tipo de objeto.

Aprenda o protocolo de transporte e a porta juntos para cada serviço. TCP 53 e UDP 53 são pontos finais de transporte separados, embora ambos possam atender ao DNS. Agrupar serviços relacionados também facilita a distinção entre nomes semelhantes.

Web, acesso remoto e arquivos

O FTPS explícito começa na porta 21 e é atualizado para TLS. O FTPS implícito começa com TLS na porta 990. TCP 989 é registrada para dados do FTPS implícito; transferências passivas negociam portas de dados. O SFTP é um protocolo diferente dentro do SSH, portanto mudar o FTP para a porta 22 não o transforma em SFTP.

Serviços de e-mail e diretório

O SMTP usa TCP 25 para retransmissão entre servidores. Os clientes normalmente enviam mensagens por TCP 587 com STARTTLS ou por TCP 465 com TLS desde o início. O recebimento por IMAP usa TCP 143, com TLS implícito em TCP 993. O recebimento por POP3 usa TCP 110, com TLS implícito em TCP 995.

Consultas ao diretório LDAP usam TCP 389; LDAP sobre TLS implícito, ou LDAPS, usa TCP 636. Um serviço seguro também pode atualizar uma conexão existente quando houver suporte, portanto uma porta diferente não é a única forma de os protocolos adicionarem TLS.

Infraestrutura e gerenciamento

A maioria das consultas DNS comuns usa UDP; transferências de zona usam TCP, e os clientes também precisam de TCP para respostas que o exijam. O SNMPv3 pode adicionar autenticação e criptografia mantendo as portas 161 e 162. O syslog pode usar outros protocolos de transporte em sistemas implantados; UDP 514 é a opção básica comum apresentada aqui.

Não confunda números de protocolo IP com portas

O campo protocolo do cabeçalho IP identifica o que o IP transporta: ICMP 1, TCP 6, UDP 17, GRE 47, ESP 50 e AH 51. TCP e UDP fornecem então seus próprios campos de porta. ICMP, GRE, ESP e AH não têm portas TCP ou UDP. Portanto, uma regra que permite a porta TCP 1 não permite tráfego de eco ICMP.

Para um servidor web que usa HTTP/2 sobre TLS, permita tráfego de entrada em TCP 443. Se o mesmo servidor oferecer HTTP/3, seu tráfego QUIC precisará de UDP 443. Uma regra DNS que permite apenas UDP 53 pode deixar passar consultas pequenas, mas bloquear trocas TCP necessárias. Ajuste a regra ao protocolo de transporte e à porta de destino do servidor efetivamente usados.

Associe um dispositivo a uma camada pela informação que ele lê para decidir como tratar o tráfego. O rótulo descreve uma função de encaminhamento ou inspeção. Uma única caixa física pode conter várias funções em camadas diferentes.

Sinais, quadros e pacotes

Dispositivos de camada 1 lidam com sinais. Um repetidor regenera um sinal; um hub repete os sinais recebidos para todas as outras portas. Um conversor de mídia conecta meios como cobre e fibra. Um modem converte entre dados digitais e a sinalização usada na linha de uma operadora. A alimentação por Ethernet (PoE) fornece energia por cabeamento de par trançado a dispositivos como telefones e pontos de acesso, portanto é um recurso da camada física.

Um comutador de camada 2 aprende os endereços MAC de origem e suas portas de entrada. Ele usa o MAC de destino para selecionar uma porta de saída. Quadros de broadcast e quadros para destinos desconhecidos são inundados pelas outras portas da mesma rede local. Uma ponte realiza a mesma tarefa básica com menos portas. Um ponto de acesso sem fio faz a ponte entre quadros Wi-Fi e da rede cabeada. Uma placa de interface de rede (NIC) cuida das camadas 1 e 2, incluindo o endereço MAC da interface.

Um roteador lê endereços IP de destino e encaminha pacotes entre redes usando uma tabela de roteamento. Ele separa os domínios de broadcast locais. Um comutador de camada 3 combina a comutação de quadros locais com o roteamento, muitas vezes entre VLANs. A palavra “comutador”, por si só, não determina se o dispositivo pode rotear.

Inspecione informações de transporte ou aplicação

Um host, como notebook, servidor ou telefone, executa as sete funções OSI. Um “roteador” doméstico costuma combinar roteador, comutador, ponto de acesso, firewall e, às vezes, modem. A ponte Wi-Fi e o roteamento de pacotes são tarefas separadas dentro do mesmo equipamento.

Conte os domínios compartilhados

Um domínio de colisão é uma região em que transmissões simultâneas podem interferir umas nas outras. Um hub compartilha um domínio entre suas portas. Um comutador separa os enlaces conectados a ele. Enlaces comutados modernos em duplex completo não têm colisões; a contagem tradicional de domínios ainda mostra como os hubs diferem dos comutadores.

Um domínio de broadcast contém dispositivos que recebem os quadros de broadcast uns dos outros. Hubs e comutadores comuns encaminham esses quadros. Roteadores separam domínios de broadcast, e VLANs podem dividir um comutador em vários deles.

Para um roteador que liga dois comutadores, o comutador A com cinco computadores tem seis enlaces ocupados, incluindo seu enlace com o roteador. O comutador B com três computadores e um hub tem cinco enlaces ocupados: três computadores, um hub e um enlace com o roteador. Os quatro computadores no hub compartilham o único domínio de colisão de seu enlace com o comutador. A contagem tradicional resulta em 11 domínios de colisão e dois domínios de broadcast, sem divisões por VLAN.

Comece perguntando quem é afetado, quais serviços falham e o que mudou. Esse padrão ajuda a escolher um ponto de partida para o diagnóstico.

Escolha uma direção

A abordagem de baixo para cima verifica o funcionamento físico, depois os quadros locais, o roteamento e os serviços superiores. Ela é completa quando a causa é desconhecida, mas pode desperdiçar tempo quando as evidências já isolam uma falha de aplicação. A abordagem de cima para baixo começa pelo serviço e passa às dependências das camadas inferiores conforme necessário.

Interprete o teste intermediário

A abordagem dividir para conquistar costuma usar ping. Uma resposta do gateway indica que o caminho IP/ICMP local até esse gateway funciona. Uma resposta de um servidor remoto indica que o caminho testado até esse servidor funciona. Esses resultados justificam passar às camadas superiores e verificar nomes, portas de transporte e a aplicação.

Uma falha no ping exige mais investigação: o caminho pode estar interrompido, ou o ICMP pode ser filtrado enquanto o serviço web continua acessível. Confirme com um teste do serviço real.

O acompanhamento do caminho examina dispositivos ao longo da rota, muitas vezes com traceroute ou tracert. Um salto que não responde ainda pode encaminhar tráfego. Compare respostas posteriores e, quando possível, testes feitos a partir de dispositivos dos dois lados antes de atribuir uma falha de encaminhamento a esse salto.

Deixe os sintomas orientarem a primeira verificação

Suponha que todas as mesas de uma sala percam toda a conectividade enquanto salas próximas funcionam. Comece de baixo para cima nos equipamentos compartilhados: energia do comutador, seu enlace de subida e indicadores luminosos de enlace. Trocar um cabo suspeito por outro que você sabe que funciona pode testar essa dependência.

Se uma conta não consegue enviar e-mail enquanto a navegação e outros serviços funcionam, comece de cima para baixo pelo nome do servidor, pela porta de envio e pela mensagem de erro. O padrão mais restrito aponta para uma verificação específica do serviço.

Compare um dispositivo com falha com outro que funciona, quando possível. Altere um item, repita o mesmo teste e registre o resultado. Desfaça uma mudança malsucedida antes de tentar outra. Alterar juntos o cabo, o gateway e as configurações DNS pode restaurar o acesso sem mostrar qual mudança fez diferença.

Um sintoma sugere onde investigar; um teste fornece evidências. Associe a ferramenta à função que você quer verificar e considere juntos seu destino, protocolo e resultado ao interpretar a resposta.

Verifique os sinais e a entrega local

Na camada 1, indicadores luminosos de enlace apagados, um cabo desconectado, um dispositivo desligado, comprimento excessivo do cabo ou interferência podem impedir a comunicação. Inspecione a alimentação e os conectores, teste o cabo ou substitua-o por outro que você sabe que funciona.

Na camada 2, o enlace físico pode estar presente enquanto os quadros locais falham. A atribuição à VLAN errada pode separar dispositivos que deveriam compartilhar uma rede local. Uma incompatibilidade de duplex pode causar baixo desempenho e erros; o aumento de erros CRC também pode apontar para problemas de sinal ou cabeamento. Leia as estatísticas da interface do comutador e compare as duas extremidades. arp -a mostra as associações de IPv4 a MAC aprendidas em um host.

Em dispositivos Cisco, show interfaces apresenta o estado da interface e do protocolo de linha. “up/up” indica que os estados físico e de enlace de dados estão ativos. “down/down” costuma direcionar a atenção para a alimentação, o cabeamento ou outro problema físico. “up/down” significa que existe um enlace físico enquanto o protocolo de linha está inativo; uma incompatibilidade de encapsulamento é uma possível causa.

Verifique se o destino IP é alcançável e o acesso ao transporte

Na camada 3, verifique os endereços das interfaces e as configurações de gateway com ipconfig no Windows, ip address no Linux ou ifconfig no macOS. Configurações incorretas ou rotas ausentes podem impedir que pacotes cheguem a outra rede. Use ping para testar se o destino IP é alcançável e tracert no Windows ou traceroute no Linux/macOS para identificar os saltos que respondem.

Na camada 4, teste a porta real do serviço. Um servidor pode responder ao ping enquanto um firewall bloqueia TCP 443 ou nenhum serviço web está escutando. No Windows PowerShell, use Test-NetConnection 203.0.113.25 -Port 443; no Linux ou macOS, use nc -zv 203.0.113.25 443. No servidor, ss no Linux ou netstat podem mostrar portas de escuta e conexões. Uma falha de conexão, por si só, não distingue um bloqueio de firewall de um serviço de escuta interrompido.

Inspecione nomes e comportamento da aplicação

Nas camadas superiores, uma falha na consulta de nome, um erro de certificado, um nome de servidor incorreto ou uma falha de login exigem evidências da aplicação. Use nslookup ou dig para inspecionar respostas DNS. Use um navegador ou curl para testar HTTP/HTTPS e leia os logs da aplicação em busca de erros de serviço.

Investigue uma falha ao abrir uma página

Um notebook não consegue abrir https://intranet.example.com. Primeiro, o ping ao seu gateway é bem-sucedido. Depois, o ping ao IP do servidor 203.0.113.25 é bem-sucedido. Esses resultados indicam que os caminhos local e roteado usados nesses testes funcionam. Se nslookup intranet.example.com não conseguir obter uma resposta, investigue a consulta e a configuração DNS na camada de aplicação.

Em outro resultado, o nome é resolvido corretamente e o servidor responde ao ping, mas TCP 443 falha. Verifique o serviço de escuta no servidor e a regra de firewall relevante. Se TCP 443 conectar e o HTTPS apresentar um erro de certificado, suba para a configuração do certificado e do nome do servidor. Cada teste delimita a próxima questão; ele não comprova o funcionamento de todos os tipos de tráfego na rede.