🌐 Protocolos TCP e UDP

Camada de Transporte - Comunicação entre Processos

                    Aula 07

                    User Datagram Protocol (UDP) e Transmission Control Protocol (TCP)

                    Da simplicidade à confiabilidade

👨‍🏫 Autor da Apresentação

César Azevedo
📧 cesar.augusto@ifrn.edu.br

📋 Tópicos da Aula

🎯 Fundamentos

Comunicação entre processos

Paradigma cliente/servidor

Endereçamento com portas

Multiplexação/Demultiplexação

Socket addresses

📦 UDP - Simples e Rápido

Características do UDP

Formato do datagrama

Checksum opcional

Portas conhecidas

Casos de uso

🔒 TCP - Confiável e Robusto

Características do TCP

Formato do segmento

Estabelecimento de conexão

Controle de fluxo

Controle de erros

🎯 Objetivo Final

Compreender as diferenças entre UDP e TCP
e quando usar cada protocolo na camada de transporte

🧠 + Quiz Interativo

Teste seus conhecimentos com 4 questões sobre TCP e UDP!

💬 Comunicação entre Processos

Camada de transporte realiza comunicação processo a processo

Diferente da comunicação nó-a-nó (enlace) ou host-a-host (rede)

Múltiplos processos podem executar simultaneamente

Necessário mecanismo para identificar processo correto

🏗️ Tipos de Comunicação

Nó a Nó
Camada de Enlace
Frame entre nós adjacentes

Host a Host
Camada de Rede
Datagrama entre hosts

Processo a Processo
Camada de Transporte
Dados entre aplicações

👥 Paradigma Cliente/ServidorCliente: Processo local que solicita serviços
Servidor: Processo remoto que oferece serviços
Comunicação: Cliente inicia, servidor responde

🏠 Endereçamento com Portas

Número de porta identifica processo específico no host

Inteiros de 16 bits: 0 a 65.535

Combinado com endereço IP forma o socket address

🎲 Portas Efêmeras

Escolhidas aleatoriamente

Usadas por clientes

Temporárias durante conexão

Faixa: 49.152 - 65.535

🏷️ Portas Conhecidas

Números universais fixos

Usadas por servidores

Permanentes e padronizadas

Faixa: 0 - 1.023

📋 Faixas de Portas IANA

Faixa	Tipo	Uso
0 - 1.023	Conhecidas (Well-known)	Serviços padrão (HTTP, FTP, SSH)
1.024 - 49.151	Registradas	Aplicações específicas
49.152 - 65.535	Dinâmicas/Privadas	Uso temporário por clientes

🎯 Socket Address

Endereço IP + Número de Porta = Socket
Exemplo: 192.168.1.100:8080

🔀 Multiplexação e Demultiplexação

Permite múltiplas aplicações compartilharem a rede

Multiplexação: combinar dados de várias aplicações

Demultiplexação: entregar dados à aplicação correta

🔄 Processo de Multiplexação

EMISSOR
Processo A (porta 1080)
Processo B (porta 2080)
Processo C (porta 3080)
⬇️
Multiplexação

REDE
Uma única
conexão IP
📡
Internet

RECEPTOR
Demultiplexação
⬇️
Processo X (porta 80)
Processo Y (porta 21)
Processo Z (porta 25)

📤 No Emissor

Vários processos enviam dados

Um protocolo de transporte

Relação: vários-para-um

Adiciona cabeçalho com porta

📥 No Receptor

Um protocolo de transporte

Vários processos recebem dados

Relação: um-para-vários

Usa porta para entregar corretamente

🎯 Chave da Demultiplexação

Número da porta de destino determina qual processo recebe os dados

📦 UDP - User Datagram Protocol

Protocolo sem conexão e não-confiável

Adiciona apenas comunicação processo-a-processo ao IP

Verificação de erros muito limitada (checksum)

Mínimo overhead - protocolo muito simples

⚡ Vantagens do UDP

Simplicidade extrema

Baixo overhead de rede

Velocidade de transmissão

Ideal para mensagens pequenas

Suporte nativo a multicast

🤔 Quando usar UDP?

Aplicações que implementam próprio controle de erro

Comunicação solicitação-resposta simples

Aplicações em tempo real (streaming)

Protocolos de gerenciamento (SNMP)

Descoberta de serviços na rede

⚠️ Limitações do UDP

Sem garantia de entrega • Sem controle de ordem • Sem controle de fluxo
Aplicação deve implementar confiabilidade se necessário

📋 Formato do Datagrama UDP

Cabeçalho fixo de apenas 8 bytes

4 campos simples e diretos

Máxima simplicidade e eficiência

🗂️ Estrutura do Datagrama UDP

Porta de Origem (16 bits)	Porta de Destino (16 bits)
Comprimento (16 bits)	Checksum (16 bits)
DADOS Dados da aplicação

📝 Campos do Cabeçalho

Porta origem: Processo remetente

Porta destino: Processo destinatário

Comprimento: Tamanho total (cabeçalho + dados)

Checksum: Verificação de erros (opcional)

🔢 Detalhes Técnicos

Tamanho máximo: 65.535 bytes

Tamanho mínimo: 8 bytes (só cabeçalho)

Campo comprimento é redundante

Mantido por eficiência de processamento

💡 Eficiência

8 bytes de overhead vs dezenas de bytes no TCP
Ideal para dados pequenos e frequentes

🏷️ Portas Conhecidas UDP

Porta	Protocolo	Descrição	Uso
53	DNS	Domain Name System	Resolução de nomes
67/68	DHCP	Dynamic Host Configuration	Configuração automática IP
69	TFTP	Trivial File Transfer Protocol	Transferência simples de arquivos
123	NTP	Network Time Protocol	Sincronização de tempo
161/162	SNMP	Simple Network Management	Gerenciamento de rede
514	Syslog	System Logging	Logs do sistema

🎯 Características ComunsProtocolos simples de solicitação-resposta
Mensagens pequenas e rápidas
Tolerância à perda ocasional de pacotes
Baixa latência mais importante que confiabilidade

💡 Por que UDP para DNS?

Consultas DNS são rápidas (< 512 bytes tradicionalmente)
Cliente pode facilmente repetir consulta se não receber resposta

🔒 TCP - Transmission Control Protocol

Protocolo orientado a conexão e confiável

Oferece serviço de fluxo de dados confiável

Implementa controle de fluxo e controle de erros

Comunicação full-duplex entre processos

✅ Características do TCP

Estabelecimento de conexão virtual

Entrega ordenada e sem duplicatas

Controle de fluxo (evita sobrecarga)

Detecção e correção de erros

Controle de congestionamento

🌊 Serviço de Fluxo de Dados

Processo
Emissor
⬇️
Fluxo de bytes

TCP
Buffer de transmissão
Segmentação
📡
Rede

TCP
Buffer de recepção
Reordenação
⬇️
Processo
Receptor

🎯 Transparência

Aplicação vê canal confiável de bytes
TCP esconde complexidade da rede (perda, reordenação, duplicação)

📋 Formato do Segmento TCP

Cabeçalho de 20 a 60 bytes (opções variáveis)

Muito mais complexo que UDP

Cada campo tem função específica para confiabilidade

🗂️ Cabeçalho TCP (campos principais)

Porta Origem (16)	Porta Destino (16)
Número de Sequência (32 bits)
Número de Confirmação (32 bits)
HLEN(4) \| Res(6) \| Flags(6)	Janela (16)
Checksum (16)	Urgent Pointer (16)

🔢 Campos de Controle

Seq: Número do primeiro byte

Ack: Próximo byte esperado

Window: Bytes que podem ser enviados

Checksum: Obrigatório (vs UDP)

🚩 Flags de Controle

SYN: Sincronizar sequência

ACK: Confirmação válida

FIN: Finalizar conexão

RST: Resetar conexão

🤝 Estabelecimento de Conexão TCP

Three-way handshake (handshaking de três vias)

Sincronização de números de sequência

Negociação de parâmetros da conexão

🔄 Three-Way Handshake

1. SYN →
Cliente: "Quero conectar, meu seq inicial é X"
SYN, seq=x

2. ← SYN+ACK
Servidor: "Ok, meu seq inicial é Y, confirmando X+1"
SYN+ACK, seq=y, ack=x+1

3. ACK →
Cliente: "Confirmando Y+1, conexão estabelecida"
ACK, seq=x+1, ack=y+1

✅ Após Estabelecimento

Conexão virtual ativa

Ambos lados podem enviar dados

Números de sequência sincronizados

Buffers alocados

⚠️ Problemas de Segurança

SYN Flooding Attack

Esgotamento de recursos

Negação de serviço (DoS)

Contramedidas: SYN cookies

🛡️ SYN Flooding

Atacante envia muitos SYNs falsos → Servidor aloca recursos → Recursos esgotam → Servidor falha

🌊 Controle de Fluxo TCP

Janela deslizante orientada a bytes

Receptor controla taxa de envio do emissor

Evita sobrecarga do buffer receptor

Tamanho da janela é dinâmico

🪟 Operações com Janela

Abrir janela: Move parede direita (mais bytes)

Fechar janela: Move parede esquerda (ACKs)

Reduzir janela: Desencorajado (problemas)

📐 Janela Deslizante TCP

Confirmados
Enviados não confirmados
Podem ser enviados
Não podem ser enviados

                            ← Tamanho da Janela = min(rwnd, cwnd) →
                        

📊 Cálculo da Janelarwnd: Janela receptora (anunciada pelo receptor)
cwnd: Janela de congestionamento (evita sobrecarga rede)
Janela efetiva: min(rwnd, cwnd)

🛠️ Controle de Erros TCP

Garante entrega confiável e ordenada

Detecta segmentos perdidos, corrompidos ou duplicados

Implementa retransmissão automática

🔍 Detecção

Checksum obrigatório

Números de sequência

Timeout (RTO)

ACKs duplicados

✅ Confirmação

ACK cumulativo

Próximo byte esperado

Piggybacking possível

ACK não gera ACK

🔄 Retransmissão

Timeout de retransmissão

Fast retransmit (3 ACKs dup)

RTO dinâmico (RTT)

Exponential backoff

⚡ Fast Retransmit

Segmento perdido → Próximos chegam fora de ordem

Receptor envia ACK duplicado para cada segmento fora de ordem

Emissor recebe 3 ACKs duplicados

Retransmite imediatamente (não espera timeout)

🎯 Garantias TCP

Dados entregues em ordem • Sem duplicatas • Sem perdas
Transparente para a aplicação

👋 Encerramento de Conexão TCP

Processo ordenado para finalizar conexão

Garante que todos os dados foram entregues

Libera recursos alocados

🔄 Three-Way Close

1. FIN →
"Terminei de enviar dados"

2. ← FIN+ACK
"Confirmo, também terminei"

3. ACK →
"Confirmado, conexão fechada"

↔️ Semi-Encerramento

1. FIN →
"Terminei de enviar"

2. ← ACK
"Confirmado, mas ainda envio"

3. ← Dados + FIN
"Agora terminei"

4. ACK →
"Conexão fechada"

💡 Exemplo de Semi-Encerramento

Cenário: Cliente envia dados para ordenação no servidor

Cliente envia todos dados e fecha seu lado (FIN)

Servidor confirma (ACK) mas continua processamento

Servidor envia dados processados

Servidor termina (FIN) e cliente confirma (ACK)

⏱️ Estados de Conexão

TCP mantém máquina de estados complexa
LISTEN → SYN_SENT → ESTABLISHED → FIN_WAIT → CLOSED

⚖️ UDP vs TCP - Comparação

Característica	UDP	TCP
Conexão	❌ Sem conexão	✅ Orientado a conexão
Confiabilidade	❌ Não confiável	✅ Confiável
Controle de Fluxo	❌ Não implementa	✅ Janela deslizante
Controle de Erros	⚠️ Checksum opcional	✅ Completo
Overhead	🟢 Baixo (8 bytes)	🟡 Alto (20-60 bytes)
Velocidade	🟢 Rápido	🟡 Mais lento
Ordem dos dados	❌ Não garante	✅ Entrega ordenada
Multicast	✅ Suporte nativo	❌ Não suporta

🚀 Use UDP quando

Velocidade > Confiabilidade

Mensagens pequenas

Aplicação implementa próprio controle

Tempo real (jogos, streaming)

Broadcast/Multicast

🔒 Use TCP quando

Confiabilidade é crítica

Transferência de arquivos

Aplicações web (HTTP)

Email, chat

Dados grandes

🧠 Quiz - Teste seus conhecimentos!

📝 Questão 1

Qual a principal diferença entre UDP e TCP?

A) UDP usa portas, TCP não usa

B) UDP é mais lento que TCP

C) UDP é sem conexão e não-confiável, TCP é orientado a conexão e confiável

D) Não há diferença significativa

📝 Questão 2

Quantos passos tem o three-way handshake do TCP?

A) 2 passos: SYN, ACK

B) 4 passos: SYN, ACK, SYN, ACK

C) 1 passo: apenas SYN

D) 3 passos: SYN, SYN+ACK, ACK

📝 Questão 3

Qual o tamanho do cabeçalho UDP?

A) 8 bytes fixos

B) 20 bytes fixos

C) 20 a 60 bytes variáveis

D) 4 bytes fixos

📝 Questão 4

Quando o TCP faz retransmissão rápida (fast retransmit)?

A) Quando recebe 1 ACK duplicado

B) Quando recebe 3 ACKs duplicados

C) Quando o timeout expira

D) TCP não faz retransmissão rápida

🎯 Resumo Final

TCP e UDP: Dois paradigmas da camada de transporte

📦 UDP - Simplicidade

Protocolo minimalista (8 bytes)

Sem conexão, sem estados

Ideal para aplicações rápidas

Aplicação controla confiabilidade

Suporte nativo a multicast

🔒 TCP - Confiabilidade

Protocolo completo (20-60 bytes)

Orientado a conexão

Entrega confiável e ordenada

Controle de fluxo e congestionamento

Transparência para aplicação

🎯 Escolha do Protocolo

Velocidade + Simplicidade = UDP
Confiabilidade + Robustez = TCP

🌐 Na Prática

DNS, DHCP, streaming → UDP
HTTP, FTP, email → TCP
Ambos fundamentais para Internet moderna

💡 Lição Principal

Não existe protocolo "melhor" - existe protocolo adequado
para cada tipo de aplicação e requisito

📚 Referências Bibliográficas

📖 Fonte Principal:Capítulo 23 - Comunicação entre Processos: UDP, TCP e SCTP
Livro de Redes de Computadores
Páginas 703-735

🌐 RFCs Fundamentais:

RFC 768 - User Datagram Protocol (UDP)

RFC 793 - Transmission Control Protocol (TCP)

RFC 1122 - Requirements for Internet Hosts

RFC 2581 - TCP Congestion Control

RFC 3168 - ECN (Explicit Congestion Notification)

📋 Documentação Adicional:

RFC 6298 - Computing TCP's RTO

RFC 5681 - TCP Congestion Control

RFC 3390 - Increasing TCP's Initial Window

www.iana.org - Registro de portas

Stevens, W. R. - TCP/IP Illustrated

🤖 Metodologia de Criação

Apresentação desenvolvida com assistência de IA Claude Sonnet 4
Baseada integralmente no Capítulo 23 do material didático
Adaptação pedagógica com foco em comparação prática

🎯 Objetivo Educacional

Facilitar a compreensão dos protocolos de transporte
através de comparações claras e exemplos práticos