ÍNDICE GERAL
Índice de figuras XVII Índice de tabelas XXII XXII Agradecimentos XXI XXIII Nota prévia XXI XXIV 1- Introdução 1 1.1 Motivação e âmbito..................................................................................................................... 1 1.2 Objetivos e abordagem ............................................................................................................... 3 1.3 Organização do presente texto .................................................................................................. 4
2 - Fundamentos 7 2.1 Transmissão de dados ................................................................................................................ 7 2.1.1 Transmissão série ou paralelo ............................................................................................ 7 2.1.2 Transmissão simplex ou duplex .......................................................................................... 8 2.1.3 Transmissão ponto-a-ponto ou ponto-multiponto ............................................................ 10 2.1.4 Transmissão com ou sem modulação ............................................................................... 10 2.1.5 Transmissão síncrona ou assíncrona ................................................................................ 13 2.2 Débito binário............................................................................................................................ 15 2.3 Controlo de erros ...................................................................................................................... 17 2.4 Controlo de fluxo ...................................................................................................................... 21 2.5 Componentes de uma rede de comunicação .......................................................................... 22 2.6 Topologias de rede .................................................................................................................... 24 2.7 Comutação de circuitos e comutação de pacotes ................................................................... 25 2.8 Multiplexagem........................................................................................................................... 26 2.9 Tipos de redes ............................................................................................................................ 28 2.9.1 Redes periféricas .............................................................................................................. 31 2.9.2 Redes de núcleo ................................................................................................................ 33 2.10 Conclusão................................................................................................................................. 35 Bibliografia ...................................................................................................................................... 35
3 - Aspetos arquiteturais 37 3.1 Introdução ................................................................................................................................. 37 3.2 O modelo de referência OSI da ISO ....................................................................................... 38 3.2.1 Visão geral ........................................................................................................................ 38 3.2.2 Protocolos e serviços ........................................................................................................ 40 3.3 A arquitetura TCP/IP .............................................................................................................. 42 3.4 Aplicações .................................................................................................................................. 46 3.4.1 Aplicações cliente-servidor .............................................................................................. 48 3.4.2 Aplicações peer-to-peer ................................................................................................... 49 3.4.3 Aplicações de suporte ....................................................................................................... 52 3.4.4 Necessidades das aplicações ............................................................................................ 53 FCA - Editora de Informática
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3.5 Qualidade de serviço ................................................................................................................ 57 3.6 Segurança .................................................................................................................................. 58 3.6.1 Vertentes de segurança ..................................................................................................... 58 3.6.2 Tipos de ameaças.............................................................................................................. 60 3.6.3 Perímetros de segurança ................................................................................................... 62 3.6.4 Mecanismos de segurança ................................................................................................ 65 3.7 Gestão de redes ......................................................................................................................... 69 3.7.1 Áreas funcionais de gestão ............................................................................................... 70 3.7.2 Modelos e paradigmas de gestão ...................................................................................... 72 3.7.3 Plataformas para gestão de redes...................................................................................... 74 3.8 Conclusão................................................................................................................................... 77 Bibliografia ...................................................................................................................................... 77
4 - Redes locais 79 4.1 Introdução ................................................................................................................................. 79 4.2 Camada de ligação de dados .................................................................................................... 80 4.3 Controlo de acesso ao meio físico ............................................................................................ 83 4.4 Endereçamento ......................................................................................................................... 86 4.5 Redes locais Ethernet (IEEE 802.3) ........................................................................................ 88 4.5.1 Ethernet Comutada ........................................................................................................... 90 4.5.2 Comutadores Ethernet (switches)..................................................................................... 92 4.6 Redes locais sem fios (IEEE 802.11) ....................................................................................... 93 4.6.1 Componentes de uma rede sem fios IEEE 802.11 (Wi-Fi) .............................................. 95 4.6.2 Nível físico ....................................................................................................................... 98 4.6.3 Subnível MAC .................................................................................................................. 99 4.7 Spanning tree ........................................................................................................................... 100 4.8 Redes locais virtuais (VLA>) ............................................................................................... 102 4.9 Agregação de circuitos ........................................................................................................... 104 4.10 Segurança .............................................................................................................................. 105 4.11 Conclusão............................................................................................................................... 108 Bibliografia .................................................................................................................................... 109
5 - Visão geral da camada de rede 111 5.1 O protocolo IP ......................................................................................................................... 111 5.2 Endereçamento ....................................................................................................................... 114 5.3 Encaminhamento .................................................................................................................... 116 5.3.1 Princípios de encaminhamento ....................................................................................... 117 5.3.2 Encaminhamento estático ............................................................................................... 117 5.3.3 Encaminhamento dinâmico ............................................................................................ 118 5.3.4 Arquitetura de encaminhamento da Internet .................................................................. 119 5.3.5 Encaminhamento e endereçamento ................................................................................ 120 5.4 Fragmentação e “reassemblagem”........................................................................................ 121 5.4.1 Fragmentação de pacotes................................................................................................ 121 5.4.2 Fragmentação de fragmentos.......................................................................................... 122 5.4.3 “Reassemblagem” de pacotes ......................................................................................... 123 5.5 ICMP ........................................................................................................................................ 123 5.6 Mobilidade ............................................................................................................................... 128 5.7 Segurança ................................................................................................................................ 133 viii
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5.8 Dispositivos de nível 3............................................................................................................. 136 5.8.1 Arquitetura genérica dos routers .................................................................................... 137 5.8.2 Os routers na estrutura da rede....................................................................................... 139 5.8.3 Appliances dedicadas ..................................................................................................... 140 5.8.4 Pacotes de software de encaminhamento ....................................................................... 140 5.8.5 Routers versus multi-layer switches ............................................................................... 142 5.8.6 Características chave na escolha de routers ................................................................... 143 5.9 Conclusão................................................................................................................................. 144 Bibliografia .................................................................................................................................... 145
6 - Endereçamento 147 6.1 Endereçamento IPv4 .............................................................................................................. 147 6.1.1 Organização do espaço de endereçamento ..................................................................... 147 6.1.2 Subendereçamento.......................................................................................................... 150 6.1.3 Superendereçamento e CIDR ......................................................................................... 152 6.1.4 Resolução de endereços IP em endereços físicos........................................................... 153 6.1.5 Atribuição de endereços numa LAN .............................................................................. 155 6.1.6 etwork Address Translation ......................................................................................... 157 6.2 Endereçamento IPv6 .............................................................................................................. 159 6.2.1 Principais diferenças em relação ao IPv4 ....................................................................... 160 6.2.2 Tipos e representação de endereços IPv6 ....................................................................... 161 6.2.3 Suporte e configuração de IPv6...................................................................................... 165 6.2.3.1 Configuração sem registo de estado .................................................................. 165 6.2.3.2 Configuração com registo de estado.................................................................. 166 6.3 Obtenção de endereços IP ...................................................................................................... 166 6.4 Conclusão................................................................................................................................. 167 Bibliografia .................................................................................................................................... 168
7 - Encaminhamento 169 7.1 Introdução ............................................................................................................................... 169 7.2 Cálculo de caminhos ............................................................................................................... 170 7.3 Tabelas de encaminhamento.................................................................................................. 172 7.4 Tipos de protocolos de encaminhamento ............................................................................. 174 7.5 Routing Information Protocol................................................................................................. 176 7.6 Open Shortest Path First ......................................................................................................... 182 7.6.1 Características gerais ...................................................................................................... 182 7.6.2 Hierarquia de encaminhamento ...................................................................................... 185 7.6.3 Protocolo......................................................................................................................... 188 7.7 Comparação de protocolos de encaminhamento interior ................................................... 189 7.8 Border Gateway Protocol ........................................................................................................ 190 7.8.1 Path vector...................................................................................................................... 190 7.8.2 Protocolo......................................................................................................................... 191 7.8.3 Atributos ......................................................................................................................... 193 7.8.4 Tabela de BGP................................................................................................................ 195 7.8.5 iBGP e eBGP .................................................................................................................. 196 7.9 Conclusão................................................................................................................................. 196 Bibliografia .................................................................................................................................... 197
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8 - Qualidade de serviço 199 8.1 Introdução ............................................................................................................................... 199 8.2 Serviços integrados ................................................................................................................. 201 8.2.1 Paradigma ....................................................................................................................... 201 8.2.2 Funções base ................................................................................................................... 202 8.2.3 Arquitetura ...................................................................................................................... 204 8.2.4 Serviços .......................................................................................................................... 205 8.2.5 Questões e limitações ..................................................................................................... 205 8.3 Serviços Diferenciados ........................................................................................................... 206 8.3.1 Objetivos e caraterísticas ................................................................................................ 206 8.3.2 Modelo operacional ........................................................................................................ 207 8.3.3 Per-hop behaviours ........................................................................................................ 209 8.3.3.1 Expedited forwarding ........................................................................................ 209 8.3.3.2 Assured forwarding ........................................................................................... 210 8.3.4 Questões e limitações ..................................................................................................... 212 8.4 Gestão de filas ......................................................................................................................... 212 8.4.1 Disciplinas de escalonamento ........................................................................................ 213 8.4.2 Mecanismos passivos de descarte .................................................................................. 215 8.4.3 Mecanismos ativos de descarte ...................................................................................... 216 8.4.3.1 RED ................................................................................................................... 217 8.4.3.2 Variantes do mecanismo RED........................................................................... 218 8.5 Protocolos para suporte de QoS ............................................................................................ 220 8.5.1 RSVP .............................................................................................................................. 220 8.5.2 MPLS .............................................................................................................................. 226 8.6 Conclusão................................................................................................................................. 230 Bibliografia .................................................................................................................................... 230
9 - Camada de transporte 233 9.1 Objetivos da camada de transporte ...................................................................................... 233 9.2 Sockets, portos e aplicações .................................................................................................... 234 9.3 Transferência fiável de dados ................................................................................................ 239 9.4 Visão geral dos protocolos da camada .................................................................................. 240 9.4.1 Protocolo TCP ................................................................................................................ 241 9.4.2 Protocolo UDP................................................................................................................ 243 9.4.3 Protocolo SCTP .............................................................................................................. 245 9.4.4 Protocolos RTP/RTCP ................................................................................................... 246 9.4.5 Protocolo DCCP ............................................................................................................. 247 9.5 Conclusão................................................................................................................................. 248 Bibliografia .................................................................................................................................... 249
10 - Protocolo TCP 251 10.1 Introdução ............................................................................................................................. 251 10.2 Estabelecimento de ligações ................................................................................................. 252 10.3 Opções .................................................................................................................................... 256 10.4 Terminação de ligações ........................................................................................................ 257 10.5 Controlo de sequência .......................................................................................................... 261 10.6 Controlo de fluxo .................................................................................................................. 262 x
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10.7 Controlo de erros .................................................................................................................. 266 10.8 Confirmações seletivas ......................................................................................................... 269 10.9 Controlo de congestão .......................................................................................................... 270 10.9.1 Slow start ...................................................................................................................... 270 10.9.2 Congestion avoidance .................................................................................................. 273 10.9.3 Fast retransmit ............................................................................................................. 275 10.9.4 Fast recovery ................................................................................................................ 276 10.9.5 Balanço ......................................................................................................................... 278 10.10 Temporizadores do TCP .................................................................................................... 278 10.11 Opções de implementação .................................................................................................. 280 10.12 Conclusão............................................................................................................................. 281 Bibliografia .................................................................................................................................... 282
11 - Protocolos para multimédia e tempo real 283 11.1 Introdução ............................................................................................................................. 283 11.2 SCTP ...................................................................................................................................... 284 11.2.1 Principais características .............................................................................................. 284 11.2.2 Arquitetura protocolar .................................................................................................. 285 11.2.3 Formato dos pacotes ..................................................................................................... 286 11.2.4 Principais mecanismos ................................................................................................. 288 11.3 RTP/RTCP ............................................................................................................................ 291 11.3.1 Principais características .............................................................................................. 292 11.3.2 Arquitetura protocolar .................................................................................................. 292 11.3.3 Conceitos RTP .............................................................................................................. 293 11.3.4 Formato dos pacotes ..................................................................................................... 295 11.3.5 Protocolo RTCP ........................................................................................................... 296 11.4 SIP .......................................................................................................................................... 297 11.4.1 Motivação e enquadramento VoIP ............................................................................... 297 11.4.2 Modelo de referência SIP ............................................................................................. 299 11.4.3 Protocolo....................................................................................................................... 300 11.5 H.323 ...................................................................................................................................... 304 11.5.1 Motivação e enquadramento ........................................................................................ 304 11.5.2 Modelo de referência .................................................................................................... 306 11.5.3 Arquitetura protocolar .................................................................................................. 307 11.5.4 Protocolo....................................................................................................................... 308 11.6 Conclusão............................................................................................................................... 310 Bibliografia .................................................................................................................................... 311
12 - Aplicações de rede 313 12.1 Introdução ............................................................................................................................. 313 12.2 Aplicações de rede e protocolos ........................................................................................... 314 12.3 Arquitetura das aplicações de rede ..................................................................................... 316 12.4 Segurança das aplicações de rede ....................................................................................... 318 12.5 World Wide Web .................................................................................................................... 320 12.5.1 Arquitetura WWW ....................................................................................................... 321 12.5.2 O protocolo HTTP ........................................................................................................ 323 12.5.3 A informação na web .................................................................................................... 325 12.5.4 Implementação e utilização .......................................................................................... 328 FCA - Editora de Informática
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12.6 Correio eletrónico ................................................................................................................. 330 12.6.1 Processo de envio de uma mensagem .......................................................................... 330 12.6.2 O protocolo SMTP ....................................................................................................... 332 12.6.3 Formato das mensagens................................................................................................ 333 12.6.4 Acesso à caixa de correio ............................................................................................. 335 12.6.5 Segurança ..................................................................................................................... 340 12.7 Transferência de ficheiros (FTP) ........................................................................................ 341 12.8 Terminal remoto (Telnet e SSH).......................................................................................... 343 12.9 Sistema de nomeação de domínios (D>S) .......................................................................... 344 12.9.1 Arquitetura do DNS...................................................................................................... 345 12.9.2 Estrutura do espaço de nomeação ................................................................................ 346 12.9.3 Resolução de Nomes .................................................................................................... 349 12.9.4 Resolução de endereços................................................................................................ 350 12.9.5 Serviços adicionais do DNS ......................................................................................... 352 12.9.6 Segurança ..................................................................................................................... 353 12.10 Sincronismo de tempo (>TP)............................................................................................. 354 12.10.1 Arquitetura do serviço de sincronismo de tempo ....................................................... 354 12.10.2 Implementação ........................................................................................................... 356 12.10.3 Segurança ................................................................................................................... 358 12.11 Gestão de redes (S>MP) .................................................................................................... 358 12.11.1 Arquitetura de gestão de redes ................................................................................... 359 12.11.2 SMI ............................................................................................................................. 361 12.11.3 MIB............................................................................................................................. 362 12.11.4 O protocolo SNMP ..................................................................................................... 364 12.11.5 Segurança ................................................................................................................... 365 12.12 Aplicações P2P .................................................................................................................... 366 12.12.1 Partilha de ficheiros .................................................................................................... 366 12.12.2 VoD e televisão .......................................................................................................... 368 12.12.3 Voz sobre IP ............................................................................................................... 368 12.13 Conclusão............................................................................................................................. 369 Bibliografia .................................................................................................................................... 370
13 - Exercícios 373 13.1 Introdução ............................................................................................................................. 373 13.2 Fichas de Trabalho ............................................................................................................... 373 Transmissão de dados – Ficha 1 ........................................................................................... 374 Objetivos .......................................................................................................................... 374 Teorema de Nyquist e lei de Shannon-Hartley ................................................................ 374 Exercício ........................................................................................................................... 375 Transmissão de dados síncrona ........................................................................................ 375 Exercício ........................................................................................................................... 377 Controlo de erros e de fluxo – Ficha 2 ................................................................................. 377 Objetivos .......................................................................................................................... 377 Eficiência de ligações ....................................................................................................... 377 Exercício ........................................................................................................................... 379 Recuperação de erros........................................................................................................ 379 Exercício ........................................................................................................................... 380 Introdução ao Cisco IOS – Ficha 3 ...................................................................................... 381 xii
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Objetivos .......................................................................................................................... 381 Equipamento necessário ................................................................................................... 381 Modos de utilização do IOS ............................................................................................. 382 Exercício ........................................................................................................................... 383 Abreviatura de comandos e ajuda .................................................................................... 384 Exercício ........................................................................................................................... 384 Comandos ‘show’ ............................................................................................................. 385 Exercício ........................................................................................................................... 385 Carregamento de uma imagem ......................................................................................... 385 Exercício ........................................................................................................................... 388 Redes Locais – Ficha 4 .......................................................................................................... 388 Objetivos .......................................................................................................................... 388 Requisitos ......................................................................................................................... 389 Equipamento necessário ................................................................................................... 389 Endereços físicos (MAC addresses) ................................................................................ 390 Exercício ........................................................................................................................... 391 Configuração básica de interfaces .................................................................................... 392 Exercício ........................................................................................................................... 393 Visualização e análise de Ethernet frames ....................................................................... 394 Exercício ........................................................................................................................... 394 Endereçamento Ipv4 – Ficha 5 ............................................................................................. 394 Objetivos .......................................................................................................................... 394 Subendereçamento e máscaras de sub-rede ..................................................................... 395 Exercício ........................................................................................................................... 396 Planos de endereçamento ................................................................................................. 397 Exercício ........................................................................................................................... 397 Configuração de routers Cisco – Ficha 6 ............................................................................. 398 Objetivos .......................................................................................................................... 398 Requisitos ......................................................................................................................... 399 Equipamento necessário ................................................................................................... 399 Ficheiros de configuração ................................................................................................ 399 Exercício ........................................................................................................................... 400 Configuração básica ......................................................................................................... 400 Exercício ........................................................................................................................... 404 Configuração de linhas ..................................................................................................... 405 Exercício ........................................................................................................................... 407 Configuração de interfaces ............................................................................................... 407 Exercício ........................................................................................................................... 410 Dynamic Host Configuration Protocol – Ficha 7 ................................................................. 410 Objetivos .......................................................................................................................... 410 Requisitos ......................................................................................................................... 411 Equipamento necessário ................................................................................................... 411 Visão geral do DHCP ....................................................................................................... 412 Configuração de routers como servidores de DHCP ....................................................... 413 Exercício ........................................................................................................................... 413 Opções DHCP .................................................................................................................. 414 Exercício ........................................................................................................................... 415 Lease Time e atribuição estática de endereços ................................................................. 415 Exercício ........................................................................................................................... 416 FCA - Editora de Informática
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Estado e debugging do DHCP .......................................................................................... 416 Exercício ........................................................................................................................... 416 $etwork Address Translation – Ficha 8 ................................................................................ 417 Objetivos .......................................................................................................................... 417 Requisitos ......................................................................................................................... 417 Equipamento necessário ................................................................................................... 417 Visão geral do NAT ......................................................................................................... 418 Configuração básica do NAT ........................................................................................... 418 Exercício ........................................................................................................................... 419 Atribuição estática e dinâmica de endereços.................................................................... 420 Exercício ........................................................................................................................... 420 NAT com endereços públicos do cliente.......................................................................... 421 Exercício ........................................................................................................................... 424 Informação de estado e de debugging .............................................................................. 424 Exercício ........................................................................................................................... 425 Encaminhamento estático – Ficha 9 .................................................................................... 425 Objetivos .......................................................................................................................... 425 Requisitos ......................................................................................................................... 426 Equipamento necessário ................................................................................................... 426 Necessidade de configuração de rotas .............................................................................. 427 Exercício ........................................................................................................................... 427 Tabela de encaminhamento .............................................................................................. 427 Exercício ........................................................................................................................... 427 Definição de rotas estáticas .............................................................................................. 427 Exercício ........................................................................................................................... 428 Rotas de defeito ................................................................................................................ 429 Exercício ........................................................................................................................... 429 Routing Information Protocol – Ficha 10 ............................................................................. 430 Objetivos .......................................................................................................................... 430 Requisitos ......................................................................................................................... 431 Equipamento necessário ................................................................................................... 431 Características chave do protocolo RIP ........................................................................... 432 Configuração básica ......................................................................................................... 432 Exercício ........................................................................................................................... 433 Configuração num cenário alargado ................................................................................ 434 Exercício ........................................................................................................................... 434 Caminhos alternativos e preferência entre rotas .............................................................. 435 Exercício ........................................................................................................................... 435 Open Shortest Path First – Ficha 11 ..................................................................................... 436 Objetivos .......................................................................................................................... 436 Requisitos ......................................................................................................................... 436 Equipamento necessário ................................................................................................... 437 Configuração básica do OSPF.......................................................................................... 437 Exercício ........................................................................................................................... 439 Redistribuição de outros protocolos no OSPF ................................................................. 440 Exercício ........................................................................................................................... 441 Sumarização de rotas ........................................................................................................ 441 Exercício ........................................................................................................................... 442 xiv
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Border Gateway Protocol – Ficha 12 ..................................................................................... 443 Objetivos .......................................................................................................................... 443 Requisitos ......................................................................................................................... 444 Equipamento necessário ................................................................................................... 444 Configuração básica do BGP ........................................................................................... 445 Exercício ........................................................................................................................... 448 Definição de preferências de encaminhamento................................................................ 449 Exercício ........................................................................................................................... 450 TCP e UDP – Ficha 13........................................................................................................... 451 Objetivos .......................................................................................................................... 451 Ambiente necessário......................................................................................................... 451 Transmissão de dados sobre UDP e TCP ......................................................................... 452 Exercício ........................................................................................................................... 454 Controlo de fluxo e congestão .......................................................................................... 454 Exercício ........................................................................................................................... 456 Aplicações – Ficha 14 ............................................................................................................ 457 Objetivos .......................................................................................................................... 457 Equipamento necessário ................................................................................................... 458 Resolução de nomes e endereços ..................................................................................... 458 Exercício ........................................................................................................................... 459 Tipos de registos de DNS e servidores de nomes ............................................................ 460 Exercício ........................................................................................................................... 460 Funcionamento básico do SMTP ..................................................................................... 461 Exercício ........................................................................................................................... 461 Cabeçalhos MIME ............................................................................................................ 462 Exercício ........................................................................................................................... 463 Bibliografia ............................................................................................................................. 463
Lista de siglas/acrónimos 465 Glossário de termos correspondentes em Português europeu e Português do Brasil 475 Índice remissivo 477
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1 - Introdução A arquitetura protocolar TCP/IP é a base da atual Internet. O estudo dos seus protocolos, dos mecanismos que lhe estão subjacentes e, ainda, dos serviços que presta são, assim, fundamentais para a compreensão desta rede de dimensão global. O presente livro foi escrito tendo em vista esse estudo, que se revela fundamental para engenheiros, especialistas e técnicos que desenvolvam a sua atividade na área das tecnologias da informação e comunicação. Neste capítulo introdutório começa-se por detalhar a motivação e âmbito do presente livro. De seguida, explicam-se os seus objetivos, bem como a abordagem adotada para os atingir, e identifica-se o público alvo. Por fim, descreve-se a estrutura de capítulos utilizada, fazendo-se uma breve introdução a cada um deles.
1.1 Motivação e âmbito Como funcionam as redes, desde os bits enviados/recebidos no meio físico de comunicação até às aplicações de utilizador1? Como se interligam diversos equipamentos em rede? Que tipos de redes existem? Como se interligam diversas redes até se formar uma rede à escala global? Como se identificam as máquinas ligadas à rede? Quais os principais protocolos da Internet? Como são encontrados os caminhos entre quaisquer computadores ligados à Internet? Como se detetam e como se recupera de erros? O que são aplicações de rede e quais as principais? Como funcionam? Como se garante que as aplicações obtêm os recursos necessários da rede? A resposta a estas e a várias outras questões relacionadas é a principal motivação para o presente texto. Existem diferentes tipos de redes, desde pequenas redes domésticas interligando um número reduzido de dispositivos até redes de dimensão intercontinental para transporte de grandes volumes de dados entre diferentes operadores nacionais. Todas se podem caracterizar em termos de uma série de aspetos fundamentais, que incluem meios físicos de transmissão, técnicas utilizadas para transmissão de dados, mecanismos de controlo de erros e de fluxo, componentes e topologias, comutação e multiplexagem2 de unidades de dados e, ainda, débito3 binário.
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BR: usuário (ver Glossário).
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BR: multiplexação (ver Glossário).
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BR: taxa de transmissão (ver Glossário).
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TCP/IP – TEORIA E PRÁTICA
Independentemente dos aspetos de baixo nível acima referidos – isto é, dos aspetos relacionados com a transmissão, receção e comutação de dados – as redes têm subjacente uma arquitetura protocolar, que define um enquadramento para os protocolos que utiliza, para os serviços suportados por cada um desses protocolos e para a forma como eles se relacionam. Além do impacto sobre os protocolos e serviços, a arquitetura protocolar tem implicações marcantes em termos de qualidade de serviço, segurança e gestão4, que importa conhecer e analisar. No nível mais baixo da arquitetura TCP/IP encontra-se a camada de acesso à rede, também designada por camada de ligação de dados5. Trata-se de um nível que lida com as diferentes tecnologias de rede, sendo fortemente dependente delas. De entre estas tecnologias, destacam-se as redes locais Ethernet e as redes locais Wi-Fi, pela sua enorme implantação. O conhecimento das principais características e potencialidades destas redes é, assim, fundamental, já que são estas redes que, na prática, asseguram a ligação dos utilizadores à Internet. Dois aspetos são cruciais para a comunicação em rede: a identificação/endereçamento dos sistemas ligados à rede e o encaminhamento6 de unidade de dados entre origem e destino. Na arquitetura TCP/IP estes aspetos são tratados na camada de rede, que é uma camada central desta arquitetura. Compete, assim, a esta camada garantir que todos os pontos de ligação à rede são identificados univocamente e que os caminhos para todos os destinos são determináveis, assegurando, desta forma, conectividade à escala global. Sendo uma condição necessária, a conectividade não é suficiente. Com a utilização da Internet para o suporte de todo o tipo de aplicações – envolvendo a troca de dados sem temporização associada, sinais áudio, sinais vídeo, e outros sinais de tempo real – torna-se cada vez mais importante garantir os recursos necessários para os diferentes fluxos de dados. Para tal, foram desenvolvidas várias soluções, que também serão alvo de abordagem no presente texto. Independentemente dos aspetos de endereçamento, encaminhamento e qualidade de serviço na rede global, os sistemas terminais – isto é, os sistemas origem e destino – devem fornecer às aplicações um serviço tal como se estivessem diretamente ligados. Para tal, têm que fornecer meios para o envio/receção transparentes de unidades de dados, que poderão incluir mecanismos de transferência fiável de dados extremo a extremo7, mecanismos de adaptação às condições da rede ou, ainda, mecanismos de marcação temporal dos dados. Estas são funções da camada de transporte da arquitetura TCP/IP, que é, também, uma camada central da arquitetura.
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BR: gerência (ver Glossário).
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BR: camada de enlace (ver Glossário).
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BR: roteamento (ver Glossário).
7
BR: fim a fim (ver Glossário).
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INTRODUÇÃO
Além da evolução das tecnologias de rede e dos seus protocolos, também as aplicações sofrem evolução e, muitas vezes, ao imporem determinados requisitos, estão na base do desenvolvimento de novas tecnologias e abordagens. As aplicações são a face visível das redes e, em última análise, aquilo que interessa aos utilizadores. É, por isso, fundamental conhecer as principais aplicações da Internet, os seus requisitos e o seu modo de funcionamento.
1.2 Objetivos e abordagem São objetivos do presente livro a apresentação, análise e estudo dos diversos aspetos abrangidos pela arquitetura TCP/P e seus protocolos, que vão desde a camada de acesso à rede, isto é, a camada que lida com o meio físico e a tecnologia, até à camada de aplicação, passando pelas camadas de rede e de transporte. Trata-se, portanto, de um texto abrangente, que fornece uma visão simultaneamente global e detalhada desta arquitetura, na qual assenta toda a Internet. Pretende-se, desta forma, não só introduzir o leitor à Internet e seus protocolos, mas também aprofundar todas as questões essenciais para a compreensão do modo como esta rede funciona. Neste sentido, a abordagem adotada assenta em dois pilares: um componente teórico e um componente prático. Primeiramente, nos Capítulos 2 a 12, os conceitos são explicados com a profundidade necessária à sua compreensão, de forma a que o leitor perceba os problemas e as respetivas soluções. Estes capítulos podem ser lidos/estudados sem quaisquer preocupações em termos de abordagem ou estudo práticos. Complementarmente, no Capítulo 13 é apresentado um lote abrangente de exercícios, organizados em fichas teórico-práticas e/ou laboratoriais. Em geral, cada ficha inclui alguns exercícios guiados e um conjunto de exercícios propostos para execução autónoma. Os objetivos dos primeiros são os de facilitar o autoestudo e preparar a execução dos exercícios propostos. No caso das fichas laboratoriais, a execução dos exercícios propostos requer a existência de equipamento específico, identificado no início de cada ficha. Tendo em atenção os aspetos acima referidos, podem ser identificados vários públicos alvo. Podem beneficiar deste livro docentes e estudantes de licenciatura e mestrado, em disciplinas na área das redes de computadores, redes de telecomunicações, gestão de sistemas e redes, segurança e, ainda, mobilidade. O livro é também adequado aos profissionais com responsabilidades na instalação e administração de redes informáticas em empresas de pequena, média e grande dimensão, em operadores de telecomunicações8, em fornecedores de serviços9 IP e na administração pública.
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BR: operadores de Telecom (ver Glossário).
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BR: provedores de serviço (ver Glossário).
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TCP/IP – TEORIA E PRÁTICA
1.3 Organização do presente texto Além do Capítulo 1, onde são apresentadas as motivações, âmbito, objetivos e público alvo, o livro é composto por 11 capítulos que abordam, sucessivamente, os fundamentos das redes de comunicação, os aspetos arquiteturais das redes TCP/IP, as redes locais, a camada de rede, o endereçamento, o encaminhamento, as soluções para fornecimento de qualidade de serviço, a camada de transporte, o protocolo TCP, protocolos para multimédia e tempo real e, por fim, as aplicações. Além destes capítulos, que se centram nos fundamentos teóricos dos aspetos abordados, existe um último capítulo de natureza prática, exclusivamente composto por fichas teórico-práticas e fichas laboratoriais, cobrindo a generalidade dos assuntos tratados nos capítulos teóricos. O Capítulo 2 – intitulado “Fundamentos” – apresenta e explica uma série de aspetos essenciais das redes de computadores, nomeadamente os conceitos de transmissão de dados, débito binário, controlo de erros, controlo de fluxo, componentes e topologias das redes, comutação de circuitos, comutação de pacotes, multiplexagem e, por fim, tipos de redes. O Capítulo 3 é dedicado a aspetos arquiteturais. Começa por apresentar o modelo de referência OSI da ISO, dado o seu caráter enquadrador. Seguidamente, apresenta a arquitetura TCP/IP, central para todo o livro. Neste capítulo são abordados, ainda, vários aspetos com impacto nas arquiteturas de comunicação em geral e na arquitetura TCP/IP em particular, a saber, os tipos e necessidades das aplicações, a qualidade de serviço, a segurança, e a gestão de redes. As redes locais são essenciais em qualquer ambiente, pois é através delas que os utilizadores se ligam à Internet. Por este motivo, o presente livro dedica o Capítulo 4 a este tipo de redes, fornecendo uma visão geral da camada de ligação de dados, que inclui aspetos de controlo de acesso ao meio físico, o endereçamento, as redes locais Ethernet, as redes locais sem fios, o protocolo de spanning tree, as redes locais virtuais, a agregação de circuitos e os aspectos de segurança. O Capítulo 5 é dedicado à apresentação geral de uma camada central para toda a arquitetura TCP/IP – a camada de rede. Além de ser abordado o protocolo IP, são apresentados os princípios de endereçamento e encaminhamento, a detalhar em capítulos posteriores. Além disso, são apresentados alguns aspetos relacionados com outras funções relevantes desta camada protocolar, como sejam a fragmentação e a “reassemblagem”10, a mobilidade e a segurança. O capítulo termina com uma secção dedicada aos dispositivos que operam nesta camada protocolar. O Capítulo 6 é dedicado às funções de endereçamento, quer em ambiente IPv4 quer IPv6. São abordadas questões como a organização do espaço de endereçamento, subendereçamento, superendereçamento, resolução de endereços e, ainda, atribuição e obtenção de endereços IP.
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BR: remontagem (ver Glossário). FCA - Editora de Informática
INTRODUÇÃO
O Capítulo 7 é dedicado à camada de rede, mais particularmente a uma das suas funções centrais: o encaminhamento. Neste capítulo são apresentadas com algum detalhe as principais abordagens e protocolos para encaminhamento interior e exterior, incluindo os protocolos RIP, OSPF e BGP. As atuais redes TCP/IP suportam todo o tipo de tráfego, com ou sem requisitos temporais. É, por isso, essencial que a camada de rede esteja preparada para dar uma resposta adequada a uma variedade de fluxos de pacotes, de acordo com as suas necessidades de qualidade de serviço. O Capítulo 8 é, precisamente, dedicado à explicação das abordagens para o fornecimento de diferentes níveis de qualidade de serviço aos fluxos de pacotes, sendo apresentadas a arquitetura de serviços integrados, a arquitetura de serviços diferenciados, os mecanismo de gestão de filas e, ainda, os protocolos RSVP e MPLS para suporte de qualidade de serviço. No Capítulo 9 é apresentada uma visão geral de uma outra camada central da arquitetura TCP/IP – a camada de transporte. São apresentados os objetivos desta camada protocolar, definidos os conceitos de socket e porto, e sumariamente apresentados os mecanismos de transferência fiável de dados. Segue-se uma visão abrangente dos principais protocolos desta camada, a saber, os protocolos TCP, UDP, SCTP, RTP/RTCP e DCCP. Dada a sua importância na arquitetura TCP/IP, o protocolo TCP é descrito em detalhe num capítulo a ele dedicado: o Capítulo 10. São apresentados todos os aspetos fundamentais deste protocolo, a saber, o estabelecimento das ligações, as principais opções, a terminação de ligações, o controlo de sequência, o controlo de fluxo, o controlo de erros, as confirmações seletivas, os mecanismos de controlo de congestão, os temporizadores e, por fim, as principais opções de implementação. Por forma a permitir que aplicações multimédia e de tempo real utilizem a Internet, vários protocolos têm vindo a ser desenvolvidos, quer para transporte de fluxos de dados quer para sinalização. O Capítulo 11 é dedicado a estes tipos de protocolos. Em particular, em termos de protocolos para transporte de dados, são apresentados os protocolos SCTP e RTP/RTCP, cuja utilização é bastante comum na atual Internet. Segue-se a apresentação dos dois principais protocolos de sinalização neste contexto, a saber, os protocolos SIP e H323. O Capítulo 12 é dedicado às principais aplicações em ambiente TCP/IP e aborda não só as principais aplicações de interesse direto para o utilizador – como sejam o WWW, o correio eletrónico, as aplicações de terminal virtual e de transferência de ficheiros11 – mas, também, aplicações de suporte ao funcionamento em rede, das quais são exemplos o DNS, o NTP e o SNMP. Por fim, o Capítulo 13 é dedicado à apresentação de uma série de exercícios práticos e teórico-práticos, resultantes das matérias abrangidas nos capítulos anteriores. São incluí-
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BR: arquivos (ver Glossário).
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TCP/IP – TEORIA E PRÁTICA
dos não só exercícios resolvidos, mas também exercícios propostos, que poderão servir de base a estudo autónomo e/ou a aulas teórico-práticas ou laboratoriais. Os exemplos resolvidos foram escolhidos de modo a que os exercícios propostos (abertos) sejam realizados de forma autónoma sem grandes dificuldades. Desta forma, e numa perspetiva puramente didática, não são disponibilizadas as respetivas soluções no site da editora. De forma a facilitar a aprendizagem, ao longo das fichas de trabalho do Capítulo 13 são utilizadas as seguintes convenções/secções (cujo significado se explica seguidamente): Objetivos Secção que indica se a ficha é de natureza prática (laboratorial) ou teórico-prática e quais os objetivos pretendidos, bem como os tópicos que a constituem.
Requisitos Identificam-se não só os requisitos teóricos, cobertos nos capítulos relevantes do livro, como também a necessidade, quando exista, de execução prévia de outras fichas do capítulo.
Equipamento necessário Secção usada apenas nas fichas práticas (laboratoriais). Identifica-se o equipamento necessário para a sua e execução e apresenta-se a configuração – em termos de equipamento e sua interligação – a utilizar no laboratório. e Router>enabl al g termin 0 ethernet0 Router#confi 255.255.255. g)#interface 10.254.0.13 address Router(confi g-if)#ip shutdown Router(confi g-if)#no Router(confi g-if)#exit Router(confi g)#exit (confi Router
Secção de conteúdos teóricos
Com título correspondente ao tópico desenvolvido no texto da secção. Nestas secções são explicados os conteúdos relevantes para a execução dos exercícios propostos (abertos), de realização autónoma. Pode assumir um caráter teórico e/ou prático, neste caso consubstanciado em exercícios resolvidos, escolhidos de modo a que os exercícios propostos sejam realizados sem grandes dificuldades. Pode ter subsecções (Passos de execução ou matéria dependente da secção principal).
Exercício Enunciado do exercício proposto com base na secção de conteúdos teóricos que o antecede.
Este livro inclui ainda uma lista de siglas/acrónimos usados ao longo do livro e um glossário atualizado de correspondência de termos em português europeu e português do Brasil. Além da tabela compilada no glossário no final do livro, quando o termo em português europeu surge pela primeira vez no texto é acrescentada uma nota de rodapé com o seu correspondente em português do Brasil, antecedido de BR (de Brasil). Por exemplo: utilizador – BR: usuário (ver Glossário). 6
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10 - Protocolo TCP O protocolo TCP (Transmission Control Protocol) é um dos principais protocolos da camada de transporte, sendo funcionalmente muito rico. O conhecimento do seu funcionamento é essencial para a compreensão da arquitetura protocolar TCP/IP no seu todo pelo que, após a apresentação geral realizada no capítulo anterior, iremos abordá-lo em detalhe neste capítulo. Após uma breve introdução, o capítulo debruça-se sobre todos os aspetos chave do protocolo TCP, a saber, o estabelecimento de ligações, a utilização do campo de opções, a terminação de ligações, o controlo de sequência, o controlo de fluxo, os timeouts e retransmissões, as confirmações seletivas, o controlo de congestão, os diversos temporizadores do protocolo e, por fim, as diferentes opções de implementação.
10.1 Introdução Tal como foi referido na apresentação geral do protocolo TCP realizada no Capítulo 9, este protocolo garante fiabilidade e ordenamento totais na transferência de dados entre processos de aplicação. Por forma a fornecer este tipo de serviço, o TCP funciona em modo de ligação (connection mode), exigindo que, previamente à troca de unidades protocolares de dados de transporte – designadas segmentos – as entidades da camada de transporte nos sistemas origem e destino se sincronizem e negoceiem os mecanismos de controlo a utilizar durante a transferência de dados. Após a sincronização e negociação iniciais, podem operar em pleno uma série de mecanismos protocolares para o controlo de sequência, o controlo de erros, o controlo do fluxo dos dados e, ainda, o controlo de congestão. Os mecanismos acima referidos assentam na utilização dos diversos campos do cabeçalho dos segmentos TCP, já descritos no Capítulo 9. O controlo de sequência é efetuado com base na utilização de um número de sequência associado a todos os bytes de dados enviados. Essa numeração, em conjunto com o envio de confirmações da receção de dados por parte do sistema de destino, é também utilizada para controlo de erros. Por sua vez, o controlo de fluxo recorre ao mecanismo de janela deslizante, sendo o valor máximo da janela de receção anunciado no cabeçalho dos segmentos. Por último, os mecanismos de controlo de congestão assentam numa análise do dinamismo do fluxo dos dados entre emissor e recetor, tendo por base, entre outros aspetos, as confirmações recebidas. É de referir, ainda, que para o funcionamento de todos os mecanismos atrás referidos é fundamental a manutenção de uma série de variáveis de estado e de temporizadores. Nas secções seguintes, esses mecanismos são apresentados de forma detalhada. FCA - Editora de Informática
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11 - Protocolos para multimédia e tempo real A Internet atual é radicalmente diferente da Internet dos primeiros anos, não só em termos de dimensão, abrangência e heterogeneidade de tecnologias mas, sobretudo, em termos das aplicações e dos protocolos que as suportam. Os protocolos tradicionais da camada de transporte – nomeadamente os protocolos UDP e TCP, este último detalhado no Capítulo 10 – continuam a ser peças fundamentais da arquitetura TCP/IP, mas não são capazes de dar resposta adequada às necessidades de um número crescente de aplicações. Muitas são as aplicações que envolvem vários fluxos e tipos diferentes de dados, alguns deles com requisitos específicos de temporização, que conferem a essas aplicações um caráter não elástico. São estas aplicações que estiveram por detrás do desenvolvimento de novos protocolos de transporte, especificamente desenhados para satisfazerem os requisitos de fluxos multimédia e/ou de tempo real, dos quais abordaremos neste capítulo dois dos principais. A par com esses protocolos foram, também, desenvolvidos protocolos de sinalização, essenciais para o controlo de sessões, que também serão aqui alvo de atenção.
11.1 Introdução Em geral, as aplicações multimédia envolvem vários fluxos de dados, alguns dos quais com requisitos de tempo real. Alguns desses fluxos não necessitam de fiabilidade e ordenamento totais, podendo suportar taxas de perdas razoáveis, desde que dentro de determinados limites. Além disso, é frequente que estas aplicações envolvam múltiplos intervenientes e tenham requisitos específicos de tolerância a falhas. Por outro lado, a multiplexagem estatística, característica das redes de comutação de pacotes, tem efeitos consideráveis na temporização dos fluxos de pacotes, quer em termos de atraso quer, sobretudo, de variação de atraso (jitter). A marcação de pacotes com um selo temporal é, assim, fundamental para que as aplicações possam reconstruir os fluxos de dados com as temporizações originais. Neste contexto, torna-se claro que o protocolo TCP é inadequado para o suporte deste tipo de aplicações. As suas características de fiabilidade e ordenamento totais são desnecessárias e, mais do que isso, prejudiciais para muitas aplicações, já que envolvem recuperação de dados, ou seja, consomem tempo que pode inviabilizar o adequado desempenho das aplicações. Além disso, a natureza adaptativa do TCP, no que diz respeito à congestão da rede, tem um grande impacto no débito e no atraso, o que é um FCA - Editora de Informática
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12 - Aplicações de rede As aplicações de rede residem no nível protocolar de aplicação da arquitetura TCP/IP. Porque constituem a face visível das redes para os utilizadores, são elas que justificam o seu interesse pela utilização da rede. O capítulo inicia-se com uma apresentação de conceitos fundamentais sobre as aplicações de rede, a que se seguem algumas considerações relativas à arquitetura das aplicações utilizadas na Internet. Subsequentemente, apresenta-se uma breve abordagem enquadradora dos principais aspetos de segurança transversais a todas as aplicações. Segue-se uma apresentação das aplicações de rede com maior utilização, designadamente WWW e correio eletrónico, e, ainda, a transferência de ficheiros e as aplicações de acesso remoto SSH e Telnet. São também descritas as principais aplicações de suporte, nomeadamente DNS, NTP e gestão de redes baseada em SNMP. O capítulo encerra com uma descrição das principais aplicações com arquitetura peer-to-peer (P2P).
12.1 Introdução Os computadores tornaram-se a ferramenta indispensável que hoje se conhece porque são úteis aos utilizadores, permitindo-lhes realizar tarefas com uma qualidade e velocidade impensáveis não há muitos anos, com recurso aos muitos programas disponíveis nas mais diversas áreas. O resultado da execução de programas, ou melhor, de aplicações informáticas, é a razão de ser dos computadores. São exemplo destas aplicações tradicionais, executadas em computadores isolados, isto é, não integrados em qualquer rede, os processadores de texto, as folhas de cálculo, os jogos, etc. Quando as aplicações, executadas em computadores distintos, comunicam entre si numa rede, através da troca de mensagens suportada por um protocolo de comunicação, são designadas por A P L I C A Ç Õ E S D E R E D E . Tal como as aplicações executadas em computadores que não estão ligados a qualquer rede são a razão de ser da utilização de computadores, também as aplicações de rede são a razão de ser da utilização de redes de computadores. De facto, a Internet atingiu os níveis de utilização que se conhecem porque disponibilizou aos utilizadores um conjunto de aplicações de rede que contribuiu para melhorar a sua qualidade de vida e que, em poucos anos, acabou por modificar significativamente o próprio modo de vida das pessoas. Contam-se entre estas aplicações a World Wide Web (WWW), o correio eletrónico e, para referir outras mais recentes, a voz sobre IP (VoIP) e a transmissão de televisão sobre IP (IPTV). FCA - Editora de Informática
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TCP/IP – TEORIA E PRÁTICA
Informação resumida pode ser obtida com o comando: Router#show ip interface brief
Exercício Com base nos exemplos apresentados anteriormente, explore os comandos apresentados e as suas opções, recorrendo, sempre que necessário, à ajuda que o próprio IOS fornece. Verifique as interfaces existentes no seu router; Obtenha e analise informação relativa ao comando ‘interface’. Explore a
utilização deste comando; Ative e desative interfaces do seu router; Introduza um texto descritivo para cada uma das interfaces do seu router; Determine o endereço IP e a máscara de sub-rede de cada interface do seu
router; Visualize e interprete o output do comando ‘show interface’ aplicado à
interface Ethernet0; Experimente e explore os comandos relativos a contadores e estado das
interfaces. Analise e interprete os outputs obtidos.
Dynamic Host Configuration Protocol
Ficha 7
Objetivos A presente ficha é de natureza prática e tem por objetivo tomar contacto com um tópico de grande importância nas redes de hoje em dia, nomeadamente com a configuração dinâmica de máquinas numa rede. Nesta ficha prática serão abordados os seguintes tópicos: Configuração de routers como servidores de DHCP; Informação de configuração transportada no protocolo DHCP; 410
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EXERCÍCIOS
Validade dos endereços atribuídos; Atribuição estática de endereços; Estado e debugging de DHCP.
Ao longo da execução da ficha deverão ser guardados os outputs de comandos e/ou os ficheiros de configuração elaborados, de forma a possibilitar a sua interpretação e análise posteriores. Importante: No final da execução desta ficha prática laboratorial deve certificar-se de que não foi alterada a password de entrada em modo privilegiado do router utilizado. Para além disso, não deve copiar a running configuration para a startup configuration, nem deve alterar a startup configuration. Quando terminar a execução da ficha, simplesmente, desligue a energia do router. Nota
Requisitos Esta ficha pressupõe a execução prévia das Fichas 3 – Introdução ao Cisco IOS e 6 – Configuração de routers Cisco.
Equipamento necessário Por forma a possibilitar a realização desta ficha, deverá ser configurado o cenário prático apresentado na Figura 13.7.
Figura 13.7 – Cenário para realização da ficha de DHCP FCA - Editora de Informática
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