PTC-2017-2

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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: 4a de 13:00 às 14:00 h / 6a de 8:30 às 9:30 h

Plano de Ensino

Referências complementares

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

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:


Rede-intro-1.png


  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.

PTC-Servico1.png
Um serviço visto por um usuário


PTC-Protocolo1.png
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.
HTTP Acessar páginas web(arquivos .html na internet) através de um endereço(URL) Permite persistência de dados ou não; mensagens são de 2 tipos(request e response); mensagens sempre tem um cabeçalho e o seu corpo é opcional; seu corpo(body) e informação útil podem ser de texto normal ou encapsuladas; o modo de comunicação é cliente-servidor; mensagens request são determinadas pelo método HTTP usado (GET, POST ...); mensagens response são determinadas pelo código de estado retornado (200, 401, 500...)
FTP Transferência de arquivos entre máquinas em uma rede TCP/IP Apresenta uma interface para realizar a transferência. Permite a independência entre os sistemas de arquivos de ambas as máquinas (cliente e servidor). Utiliza dois canais para comunicação: um para controle (conexão persistente) e outro para dados (conexão não persistente).
HDLC Comunicação na camada de enlace Orientado a bit; Orientado a conexão; modo de operação síncrono; Transmissão half-duplex e full-duplex; Transmissão através de Frames.
SIP Utiliza o modelo “requisição-resposta”, para iniciar sessões de comunicação interativa entre utilizadores Baseado na tecnologia HTTP, o SIP permite a integração de vários conteúdos. Reúne a tecnologia que permite a transmissão de dados em várias meios de comunicação virtual, contando com a velocidade e mobilidade da rede VoIP.

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. Funciona apenas em redes locais e em ambientes de redes com e sem fio. Dados e frames de informação. Quando um equipamento entra na rede as trocas de mensagens para a obtenção do endereço acionam o protocolo que já sincroniza o novo equipamento com a rede, e quando não há manda dados periodicamente.
FTP Transferência de arquivos entre máquinas em uma rede TCP/IP Apresenta uma interface para realizar a transferência. Permite a independência entre os sistemas de arquivos de ambas as máquinas (cliente e servidor). Utiliza dois canais para comunicação: um para controle (conexão persistente) e outro para dados (conexão não persistente). Comandos e códigos Mensagens podem ser de dois modos: em texto ou binário. Cada mensagem inclui um identificador de 3 dígitos, que indica o comando ou código correspondente. Cliente estabelece conexão de controle com o servidor (porta 21), enviando informações de usuário e senha e comandos para mudar diretório.

Com a verificação positiva do usuário o servidor mantém a conexão de controle aberta e aguarda as solicitações de transferência.

Cliente solicita um arquivo.

Servidor abre uma conexão de dados com o cliente (porta 20).

Após a transferência concluída a conexão é finalizada.

HDLC Oferecer comunicação na cama de enlace, utilizando transmissões síncronas de frames e orientação a bit. Baixa taxa de transferência e ambientes ruidosos; Utilizado por protocolos como X.25, PPP e SNA. Frames de informação, supervisão e inumerados. Todas as mensagens tem o mesmo formato de frame, sendo alterado apenas o campo de controle (8 bits).
HTTP Acessar arquivos de mídia (texto, páginas, áudios, vídeos) na internet Ambiente cliente servidor, comunicações com persistência ou não de dados Mensagens do tipo Request ou Response Cabeçalho sempre presente(genérico, requisição/resposta e de entidades) e corpo opcional, corpo(body) e informação útil podem ser de texto normal ou encapsuladas Mensagens request são determinadas pelo método HTTP (GET, POST ...) e response são determinadas pelo código de estado retornado (200, 401, 500...)
PPP estabelecer enlace de dados por linhas seriais canal de comunicação formado por linha serial síncrona ou assíncrona controle, dados binária (big endian) ??

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:

PTC-Ppp-estrutura.png


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):

PTC-Ppp-comportamento.png

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 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. 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 20/02.