Camada de Rede e Roteamento
A camada de rede move pacotes de um host de origem para um host de destino através de múltiplos links e redes, combinando um plano de dados que encaminha cada pacote em cada roteador com um plano de controle que calcula as rotas que esses pacotes seguem.
Definition
A camada de rede é a camada de protocolo responsável pela entrega de pacotes de host para host através de uma inter-rede, fornecendo endereçamento, encaminhamento de pacotes dentro de roteadores (o plano de dados) e determinação de rotas através da rede (o plano de controle).
Scope
Esta área abrange o inter-redes (internetworking): o Protocolo de Internet (IP) e seu endereçamento e encaminhamento, os algoritmos de roteamento (estado de link e vetor de distância) que calculam os caminhos, a organização do roteamento em protocolos intra-domínio e inter-domínio (incluindo BGP entre sistemas autônomos), e o paradigma mais recente de redes definidas por software (SDN) que separa o plano de controle em controladores logicamente centralizados. Distingue o plano de dados por pacote do plano de controle de cálculo de rotas, e exclui os serviços de ponta a ponta da camada de transporte acima dele e a entrega hop-by-hop da camada de enlace abaixo dele.
Sub-topics
Core questions
- Como um roteador encaminha um pacote para seu destino, e o que há em uma tabela de encaminhamento?
- Como os endereços IP são estruturados e alocados, e como funcionam o subnetting e o CIDR?
- Como os algoritmos de estado de link e vetor de distância calculam os caminhos de menor custo?
- Por que o roteamento é dividido em protocolos intra-domínio e o protocolo inter-domínio BGP?
- Como as redes definidas por software (SDN) mudam onde e como as decisões de roteamento são tomadas?
Key concepts
- Protocolo de Internet (IP)
- Endereçamento IP, subnetting e CIDR
- Tabelas de encaminhamento e correspondência de prefixo mais longo
- Roteamento por estado de link
- Roteamento por vetor de distância
- Sistemas autônomos
- Protocolo de Gateway de Borda (BGP)
- Plano de controle e plano de dados
- Redes definidas por software (SDN)
- Tradução de endereços de rede (NAT)
Key theories
- Separação do plano de dados e do plano de controle
- A camada de rede é decomposta em um plano de dados rápido que encaminha cada pacote de chegada de acordo com uma tabela de encaminhamento, e um plano de controle que calcula essas tabelas através de protocolos de roteamento; as redes definidas por software (SDN) levam isso adiante, centralizando o plano de controle.
- Roteamento de caminho de menor custo
- Algoritmos de roteamento modelam a rede como um grafo ponderado e calculam os caminhos mais curtos: algoritmos de estado de link (Dijkstra) fornecem a cada roteador uma visão completa da topologia, enquanto algoritmos de vetor de distância (Bellman-Ford) trocam estimativas com vizinhos e convergem iterativamente.
- Roteamento inter-domínio baseado em políticas
- O roteamento entre sistemas autônomos administrados independentemente é governado pelo Protocolo de Gateway de Borda (BGP), que propaga informações de alcançabilidade e permite que cada rede aplique preferências de negócios e políticas em vez de métricas puramente de caminho mais curto.
Clinical relevance
A camada de rede é a camada que torna a Internet global um sistema único e acessível: cada pacote que atravessa a Internet é encaminhado por roteadores IP, e as decisões BGP entre dezenas de milhares de sistemas autônomos determinam a conectividade global. As redes definidas por software (SDN) agora sustentam grandes redes de nuvem e data centers, permitindo que os operadores programem o engenharia de tráfego e o isolamento de forma centralizada. O esgotamento de endereços impulsionou a transição do IPv4 para o IPv6.
History
O Protocolo de Internet foi especificado na RFC 791 (1981) como o núcleo sem conexão e de melhor esforço da arquitetura TCP/IP. Protocolos de roteamento internos como RIP e OSPF e o protocolo externo BGP cresceram para gerenciar o roteamento à medida que a Internet escalava. A proposta OpenFlow de 2008 lançou as redes definidas por software (SDN) ao expor a tabela de encaminhamento do switch a um controlador externo, remodelando como grandes redes são construídas e gerenciadas.
Debates
- Planos de controle distribuídos versus controle SDN centralizado
- O roteamento tradicional distribui o cálculo de rotas por todos os roteadores para robustez e autonomia, enquanto as redes definidas por software (SDN) centralizam o controle para programabilidade e otimização global; o debate continua sobre o equilíbrio certo de centralização, escalabilidade e resiliência.
Key figures
- Vinton Cerf
- Robert Kahn
- Jon Postel
- Nick McKeown
- Jennifer Rexford
Related topics
Seminal works
- kurose2021
- rfc791
- mckeown2008
Frequently asked questions
- Qual é a diferença entre encaminhamento e roteamento?
- Encaminhamento é a ação local, por pacote, de mover um pacote de uma porta de entrada para uma porta de saída usando a tabela de encaminhamento, e acontece em alta velocidade no plano de dados. Roteamento é o processo em toda a rede de calcular o conteúdo dessas tabelas de encaminhamento, feito por algoritmos e protocolos de roteamento no plano de controle.
- Por que o IPv6 foi introduzido?
- O espaço de endereços de 32 bits do IPv4, cerca de quatro bilhões de endereços, tornou-se insuficiente à medida que os dispositivos conectados à Internet proliferaram. O IPv6 usa endereços de 128 bits para fornecer um espaço vastamente maior, juntamente com simplificações no cabeçalho e suporte integrado para recursos como autoconfiguração.