PTC-2017-2

Projeto de Protocolos: Diário de Aula 2017-2

Professor: Marcelo Maia Sobral
Encontros: 5a feira/9:40, 6a feira/9:40 (Semana A)
Atendimento paralelo: 6a de 8:30 às 9:30 h / 6a de 13:30 às 14:30 h

Plano de Ensino

Referências complementares

• ASN.1
• Internet Standard 68 (ABNF)
• SDL Forum
• RFC-1317: On the Design of Application Protocols
• Protocol Design Beyond Graph-Based Models
• Protocol Design (entrevista)
• Inrodução a C++ (com referências bibliográficas)

Avaliações

As avaliações são de dois tipos:

1. Projetos: feitos em equipes de até dois alunos, são desenvolvidos ao longo da disciplina. Os resultados parciais devem ser entregues por meio de relatórios parciais, e o resultado final deve ser demonstrado na prática e descrito em um relatório conclusivo.
2. Tarefas: feitas individualmente, e servem para ajustar os conceitos dos projetos (podem aumentá-los ou reduzi-los).

Aluno	Projeto 1	Projeto 2	Projeto 3	FINAL

Obs: D* = não fez a avaliação.

Softwares

• Compilador ASN.1
• ANTLR (Another Tool for Language Recognition)
• APG (ABNF Parser Generator)
• SPIN Model Checker

27/07: Introdução

• Caracterização de protocolos por meio de um exemplo: sintaxe, comportamento, temporização, semântica. Princípios de projeto e propriedades desejáveis de protocolos. Análise de um protocolo real.

• Projeto 1: um protocolo de comunicação
• Projeto 2: um protocolo de aplicação
• Projeto 3: implementação de um protocolo padrão segundo uma especificação

Um protocolo é uma parte muito importante de um sistema de comunicação. A comunicação de dados pode ser entendida como troca de informação entre dois dispositivos através de algum meio de comunicação. A comunicação ocorre no âmbito de um sistema de telecomunicações, composto por equipamentos (hardware) e programas (softwares). Um sistema básico de comunicação de dados se constitui de cinco componentes:

1. A mensagem: a informação a ser transmitida. O conteúdo da mensagem, seja um texto, música, video, ou qualquer outro tipo de informação, é representada por conjuntos de bits (dígitos binários).
2. Transmissor: dispositivo que transmite a mensagem.
3. Receptor: dispositivo que recebe a mensagem.
4. Meio de comunicação: caminho físico por onde viaja a mensagem do transmissor até o receptor.
5. Protocolo: conjunto de regras que governa a comunicação de dados.

Os sistemas de comunicação reais, incluídas as redes de computadores, são bem mais complexos do que esse modelo simplificado. No entanto, todos podem ser entendidos, em alguma medida, a partir desse modelo. Nesta disciplina estudam-se princípios e técnicas para projeto de protocolos, incluindo formas de verificar a consistência e correção de seu funcionamento.

Serviço e Protocolo

Um sistema de comunicação provê serviços para as aplicações ou usuários realizarem ações que envolvam a comunicação entre sistemas através de uma rede. Por exemplo, existem serviços para transferência de arquivos, reprodução remota de videos e músicas, execução remota de programas, pesquisa por informação, e muitos outros. O conceito de serviço está relacionado ao de protocolo. Um serviço é provido por entidades que interagem de acordo com um protocolo. Assim, um serviço é um dos elementos envolvidos na especificação de um protocolo. As figuras a seguir mostram a relação entre esses conceitos, primeiro apresentando somente a visão de um serviço para um usuário, e, em seguida, a relação entre serviço e protocolo.

Um serviço visto por um usuário

O serviço provido pelo protocolo

Protocolos reais

Que protocolos existentes despertam suas curiosidades sobre os detalhes de seus projetos ? Identifiquem alguns protocolos, e anotem suas finalidades e características.

Protocolo	Finalidade	Características
NTP	Sincronizar os relógios dos computadores ligados a rede.	Utiliza uma versão do algoritmo de Marzullo para determinar o tempo dos servidores corrigindo os efeitos da variação da latência da rede. Utiliza uma hierarquia mestre-escravo onde o servidor envia o horário UTC aos equipamentos da rede, enviando as informações por UDP.
FTP	Transferência de arquivos entre máquinas em uma rede TCP/IP	Utiliza um modelo cliente-servidor para a transferência de arquivos em ambas as direções (download e upload) de maneira eficaz. Estabelece duas conexões TCP paralelas: uma para controle (persistente) e outra para dados (não-persistente). Caracteriza-se por ser um protocolo de padrão aberto.
SSH	Transferência remota de arquivos criptografados entre duas entidades.	Modelo de comunicação é cliente e servidor, utilizando para geração das chaves públicas o algoritmo RSA. A porta padrão do servidor SSH é a porta 22.
TELNET	Fornece as regras básicas para ligar um cliente a um intérprete de comando (servidor).	O protocolo Telnet baseia-se em uma conexão TCP para enviar dados em formato ASCII codificados em 8 bits entre os quais se intercalam sequências de controle Telnet. Ele fornece, assim, um sistema orientado para a comunicação, bidirecional (half-duplex), codificado em 8 bits, fácil de aplicar.
SMTP	Usado para a transferência de e-mail	Funciona como roteador do correio eletrônico. É transmitido sobre o protocolo TCP, sendo composto por 3 entidades: Agente do usuário, emissor e receptor. A comunicação entre o emissor e receptor é feita através do código ASCII.
RTP	É um protocolo de redes utilizado para entregar áudio e vídeo sobre IP.	É implementado tipicamente sobre UDP e usado em conjunto com o RTCP (RTP Control Protocol). Enquanto o RTP lida com a mídia em sí, o RTCP monitora as estatísticas de transmissão e o Controle de Qualidade e lida com a sincronização de multiplos streams.
SSH	É um protocolo de rede que estabelece uma conexão criptografada em meio de comunicação não seguro na estrutura cliente-servidor.	O cliente conecta-se ao servidor através de autenticação com troca de chaves (um exemplo de troca de chaves é a de Diffie-Hellman). Ao iniciar a comunicação a autenticação e criptografia são negociados entre as entidades e a comunicação é estabelecida de forma segura, possibilitando o acesso remoto de dispositivos e transferência de arquivos. Implementado sobre o TCP.

Análise dos protocolos

De acordo com Gerard Holzmann, no capítulo 2 de seu livro Design and Validation of Computer Protocols, um protocolo é composto por cinco elementos:

1. O serviço oferecido pelo protocolo
2. As considerações sobre o ambiente em que o protocolo é executado
3. O vocabulário de mensagens usadas para implementar o protocolo
4. A codificação (ou formato) de cada mensagem do vocabulário
5. O comportamento, definido por regras de intercâmbio responsáveis pela consistência das trocas de mensagens

Com base nesses elementos, deve-se complementar ou adequar a análise dos protocolos selecionados:

Protocolo	Serviço	Ambiente de execução	Vocabulário	Codificação	Comportamento
NTP	Sincronização dos relógios dos computadores ligados a rede.	Usa um canal UDP para intercâmbio de mensagens. Pode perder mensagens. Latências de transmissão variáveis (ex: devido a congestionamentos) podem ocorrer.	NTP Data packet	binária (ver RFC 5905)	Há um bom resumo neste documento.
FTP	Transferência de arquivos entre computadores conectados em uma rede.
SSH
???
???

Propriedades desejáveis de um protocolo

Ainda segundo Gerard Holzmann, no capítulo 2 de seu livro Design and Validation of Computer Protocols, um protocolo possui algumas propriedades desejáveis:

• Simplicidade: um protocolo bem estruturado pode ser construído com um pequeno número de partes bem projetadas e bem entendidas.
• Modularidade: um protocolo que realiza uma função complexa pode ser construído com partes menores que interagem de maneira simples e bem definida. Cada parte menor é um protocolo leve que pode ser desenvolvido separadamente, verificado, implementado e mantido.
• Adequação: um protocolo bem formado não é incompleto, nem possui funções que nunca são de fato utilizadas. Um protocolo bem formado se limita aos recursos existentes, além de ser estável e adaptável.
• Robustez: um protocolo robusto deve funcionar bem em condições normais, e também em situações imprevistas. Ele deve conseguir lidar com cada possível sequência de ações, em todas as possíveis condições. Ele deve ter um projeto mínimo, de forma a remover considerações não essenciais que poderiam impedir sua adaptação a condições não antecipadas.
• Consistência: protocolos não devem apresentar interações que os levem a falhar, tais como deadlocks, livelocks e terminações inesperadas.

A figura a seguir mostra a arquitetura do protocolo de enlace PPP como exemplo de simplicidade e modularidade:

Robustez e consistência são aspectos comportamentais do protocolo, que envolvem portanto a dinâmica de seu funcionamento. O comportamento de um protocolo pode ser descrito de algumas formas, sendo usual utilizar diagramas. A figura a seguir apresenta o comportamento em alto-nível do protocolo PPP (mas não significa que dela se possa concluir que ele seja robusto ou consistente):

Diretrizes de projeto

No mesmo capÍtulo 2 de seu livro, Gerard Holzmann enumera dez regras de projeto de um protocolo:

1. Definição do problema: certifique-se de que o problema esteja bem definido, com a identificação de todos os critérios de projeto, requisitos e restrições antes de iniciar um projeto.
2. Definição do serviço: deve-se definir o serviço a ser realizado em cada nível de abstração antes de decidir que estruturas devem ser usadas para implementá-los (o que vem antes de como).
3. Funcionalidades externas primeiro: projete a funcionalidade externa antes da interna. Primeiro considere a solução como uma caixa-preta e decida como ela interage com seu ambiente. Depois decida como a caixa-preta pode ser organizada internamente. Provavelmente isso consiste de caixas-pretas menores que podem ser refinadas de forma similar.
4. Mantenha a simplicidade: protocolos extravagantes são mais propensos a ter bugs que protocolos simples. Eles são mais difíceis de implementar, verificar e comumente menos eficientes. Existem poucos problemas realmente complexos em projetos de protocolos. Problemas que aparentam serem complexos costumam ser problemas misturados. A tarefa dos projetistas é identificar os problemas mais simples, separá-los, e então resolvê-los individualmente.
5. Preservar independência: não conectar o que for independente, o que significa separar questões ortogonais.
6. Mantenha o projeto extensível: não introduza o que for imaterial. Não restrinja o que for irrelevante. Um bom projeto é facilmente extensível, e resolve uma classe de problemas ao invés de uma única instância.
7. Crie um protótipo: antes de implementar um projeto, crie um protótipo de alto-nível, e verifique se os critérios do projeto são atingidos.
8. Torne-o eficiente: implemente o projeto, meça seu desempenho e, se necessário, otimize-o.
9. Verifique a implementação: confira se a implementação final otimizada é equivalente ao protótipo de alto-nível que foi verificado.
10. Não pule as regras 1 a 7

TAREFA: um protocolo imaginário

Imagine um protocolo para transferência incremental de arquivo. Esse protocolo deve prover a transferência de um arquivo entre dois computadores, de forma que o conteúdo E os atributos de um arquivo sejam devidamente copiados. Se o arquivo já existir no computador de destino, ele deve ser atualizado. Sendo assim:

1. Especifique o serviço provido pelo protocolo
2. Faça considerações sobre o ambiente de execução do protocolo (ex: o tipo de canal de comunicação usado e suas características)
3. Defina seu vocabulário, e também a codificação de mensagens a ser adotada
4. Descreva seu comportamento

Ao final, implemente esse protocolo usando seus conhecimentos sobre redes de computadores e sistemas distribuídos. OBS:

• o canal de comunicação deve ser baseado em um protocolo de transporte. Isso elimina a possibilidade de usar protocolos de aplicação, tais como HTTP (e, por consequência, implementar algo na fa forma de web service ou coisa parecida)
• o arquivo deve ser copiado sem erros, e a cópia deve apresentar o mesmo nome e atributos que o original

A entrega da especificação e do protocolo implementado deve ser feita até dia 04/08.

28/07: Projeto 1: um protocolo de comunicação

Um protocolo de comunicação está relacionado aos mecanismos necessários para a entrega de mensagens entre duas aplicações quaisquer. Considerando uma arquitetura de redes em camadas como TCP/IP, protocolos de comunicação correspondem às camadas de enlace até transporte. Questões como garantia de entrega, controle de sequência, tratamento de erros, sincronização, estabelecimento e término de sessão, multiplexação e delimitação de mensagens, entre possivelmente outras, fazem parte do projeto de tais protocolos. Para introduzir o projeto de um protocolo de comunicação, o primeiro projeto da disciplina envolve um protocolo para estabelecimento de enlace sem-fio ponto-a-ponto.

Considere o caso de uma nova interface de rede sem-fio composta por um transceiver RF capaz de transmitir a distâncias de até 1 km. No caso de distâncias como essa, a taxa de transmissão possível de ser obtida é de 2400 bps, porém distâncias menores possibilitam taxas maiores, até um máximo de 19200 bps. Esse transceiver pode ser usado como uma interface serial do tipo UART. Portanto, com ele podem-se criar enlaces de média distância e baixas taxas de transmissão.

O transceiver RF usado como UART proporciona uma camada física, cuja interface de acesso a serviço oferece operações de envio e recepção de bytes. Nenhuma facilidade para delimitação de mensagens, endereçamento, sincronização e tratamento de erros é fornecida. De fato, tais serviços devem ser implementados em um protocolo de enlace que use esse transceiver como camada física.

O projeto 1 envolve o desenvolvimento de um protocolo de comunicação usando esse transceiver RF, de forma a oferecer um serviço de comunicação com essas características.

O transceiver RF APC 220

O transceiver RF a ser utilizado se chama APC 220. Alguns documentos podem ser úteis:

• Data sheet
• Manual
• Um tutorial
• Outro tutorial

Um primeiro experimento

• A classe Serial

O primeiro contato com o transceiver RF envolve escrever um programa que transmita a mensagem Hello world! de um computador a outro usando um enlace sem-fio. Para isso, deve-se:

1. Configurar dois transceivers RF
2. Conectá-los a dois computadores diferentes usando adaptadores USB
3. Testar a comunicação usando programa para comunicação serial (ex: gtkterm, picocom, minicom). OBS: ver esta observação sobre um detalhe quanto ao uso do transceiver via USB.
4. Escrever um programa que se comunique por meio dos transceivers. Para isso podem ser úteis:
   • Serial Programming HOWTO
   • Serial Programming/Serial Linux
   • Documentação sobre termios

A serial modelada como uma classe C++

Uma implementação da classe Serial #ifndef SERIAL_H #define SERIAL_H #include <termios.h> class Serial { public: Serial(); Serial(const char * path, int rate); Serial(const Serial& orig); virtual ~Serial(); int get() { return tty_fd;} bool cca(); int write(const char * buffer, int len); int read(char * buffer, int len); int read(char * buffer, int len, bool block); char read_byte(); private: int tty_fd; }; #endif /* SERIAL_H */ serial.h #include <iostream> #include "Serial.h" using namespace std; int main() { Serial rf("/dev/ttyUSB0", B9600); string msg = "um teste ...\r\n"; char buffer[32]; int n = rf.write(msg.c_str(), msg.size()); cout << "Enviou " << n << " bytes" << endl; n = rf.read(buffer, 32); cout << "Recebeu " << n << " bytes: "; cout.write(buffer, n); cout << endl; } main.cpp: exemplo de uso da classe serial

Configuração no VirtualBox

O transceiver deve ser conectado a porta USB do computador. O Linux o reconhece e cria o arquivo de dispositivo /dev/ttyUSB0 a ele associado. Com isso a máquina virtual VirtualBox deve ser configurada da seguinte forma:

1. Habilitar a primeira porta serial (COM1)
2. O modo dessa serial deve ser Dispositivo no hospedeiro
3. O caminho do dispositivo deve ser /dev/ttyUSB0

TAREFA: início do protocolo de enlace

Implemente a delimitação de mensagens do seu protocolo de enlace, de forma que mensagens de tamanho variável possam ser transmitidas e corretamente recebidas. Essas mensagens pode ter entre 8 e 1024 bytes. Em seguida, use-as para transmitir um arquivo através do enlace sem-fio.

DICA: Ver capítulo 11 do livro "Comunicação de Dados e Redes de Computadores", de Behrouz Forouzan, ou capítulo 5 do livro "Redes de Computadores" de Andrew Tanenbaum.