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Curso de Redes: Camada de Rede - Parte 2

Avaliação: 3 votos, 5,00 média.

Leia as partes anteriores desse curso antes de prosseguir



Galera!!

Chegamos em um momento decisivo do curso! Um dos conteúdos que as pessoas mais demoram pra assimilar é esse. Na verdade a camada 4 é mais difícil, mas a camada 3 é mais essencial pra quem está começando!

Qualquer dúvida utilize os comentários ou chatbox para as pessoas não registradas no Fórum!

Camada 3 - Rede (Parte 2)




O Protocolo ICMP


A operação de uma rede IP é monitorada rigorosamente pelos roteadores. Quando algo inesperado ocorre o evento é reportado pelo protocolo ICMP (Internet Control Message Protocol) definido na RFC 729. O protocolo ICMP também é utilizado para testes de rede através do comando ping.

O ICMP utiliza mensagens para realizar suas tarefas. Na sua RFC são definidas 16 mensagens, dentre estas as mais importantes são:

  • Destination Unreachable – Utilizado quando sub-rede ou roteador não pode localizar o destino;
  • Time Exceeded – Notifica o descarte do pacote, pois seu TTL atingiu o valor zero;
  • Source Quench – Essa mensagem solicita ao emissor uma redução dos dados enviados;
  • Redirect – Um roteador envia esta mensagem quando chega a ele um pacote porém existe uma rota melhor através de outro roteador;
  • Echo – Usado pelo comando ping para verificar conectividade;
  • Echo Reply – Resposta à requisição Echo.




Entrega de Pacotes

A entrega de pacotes na camada de rede pode ser dividida em dois tipos:

  • Entrega Direta – Entrega de dados quando o remetente e destinatário se encontram na mesma rede lógica. Também conhecida como Entrega Local;
  • Entrega Indireta – Entrega de dados quando o destinatário e remetente se encontram em redes lógicas diferente e se faz necessário a utilização de um “destino intermediário”. Também conhecida como Entrega Remota.


Para saber se o host irá executar uma entrega local ou remota basta saber se o remetente encontra-se na mesma rede que o destinatário. Esta verificação é feita pelo remetente com base em dois dados: o resultado da operação lógica "sua máscara de rede AND seu endereço"; e da operação lógica "sua máscara de rede AND o endereço do destino". Estes dois dados são comparados, se forem iguais, ambos estão na mesma rede, caso contrário estão em redes distintas.

Vamos ver dois exemplos:

1. O host 192.168.1.10/24 que enviar uma mensagem para o host 192.168.1.32.
Primeiro o host de origem calcula a sua própria rede através de um AND entre o seu endereço IP (192.168.1.10) e a sua máscara (255.255.255.0) e obtém o resultado 192.168.1.0. Depois ele calcula a rede do host de destino realizando um AND entre o endereço IP de destino (192.168.1.32) e a sua máscara (255.255.255.0), obtendo o resultado 192.168.1.0. Como os dois resultados são idênticos o host de origem sabe que ambos estão na mesma rede lógica e que pode realizar uma entrega direta/local.


2. O host 192.168.1.10/24 que enviar uma mensagem para o host 192.168.2.20.
Primeiro o host de origem calcula a sua própria rede através de um AND entre o seu endereço IP (192.168.1.10) e a sua máscara (255.255.255.0) e obtém o resultado 192.168.1.0. Depois ele calcula a rede do host de destino realizando um AND entre o endereço IP de destino (192.168.2.20) e a sua máscara (255.255.255.0), obtendo o resultado 192.168.2.0. Como os dois resultados são distintos o host de origem sabe que ambos não estão na mesma rede lógica e que pode realizar uma entrega indireta/remota.



Entrega Direta/Local

Na entrega local o remetente precisa saber todos os dados do destinatário. Pois ao enviar o pacote o remetente preenche o endereço IP de origem e destino e o endereço MAC de origem e destino. Os Endereços MAC e IP de origem são conhecidos pelo remetente. Já o endereço IP de destino deve ser informado pela aplicação de camada superior, enquanto o endereço MAC de destino é descoberto através de uma requisição ARP. Desta forma a entrega direta pode ser separada em 4 etapas:

  1. Preenchimento do endereço IP de origem e destino;
  2. Requisição ARP para descobrir qual endereço MAC está vinculado ao endereço IP de destino;
  3. Preenchimento do campo endereço MAC de origem e destino;
  4. Envio do pacote.





Entrega Indireta/Remota


A entrega remota é aquela em que o remetente não se encontra no mesmo segmento de rede que o destinatário sendo necessário a entrega indireta isto é, o envio do pacote a um destino intermediário que irá redirecioná-lo para o destinatário, caso possível, ou para um outro destino intermediário. A esses sucessivos encaminhamentos a destinos intermediários dá-se o nome de roteamento. Aos dispositivos (destinos intermediários) que executam este roteamento é dado o nome de roteador.

O roteamento se baseia no princípio que um grupo não estará em duas localizações distintas, isto é todos os hosts de uma mesma rede estarão agrupados em um único enlace. Ou seja, todos os hosts da rede 192.168.1.0, por exemplo, estarão agrupados e não espalhados ao longa da rede.

Como explicitado acima o roteamento pode ser interpretado como um processo de 3 etapas:

  1. Enviar os dados para um roteador próximo;
  2. Passar os dados deste roteador para outro, sucessivamente, até alcançar o último roteador;
  3. Passar os dados do último roteador para o destino final.



Etapa 1 - Enviando os dados para um roteador próximo

Quando o host de origem não está diretamente conectado ao host de destino e é necessário fazer a entrega remota, host de origem envia os dados para seu gateway. Desta forma, mesmo que a origem não tenha informações sobre a rede de destino, ele sabe que pode alcançá-la enviando os dados ao seu gateway. Não confundir gateway com default gateway, que será explicado em breve. Esse conceito ficará mais claro com as demonstrações!

Uma vez que este pacote será enviado a um roteador, mas este não é seu destino, no campo endereço IP de destino do cabeçalho IP irá constar o endereço do host B, porém o endereço MAC de destino será o endereço de R1.

Este preenchimento é necessário para que o roteador receba o quadro (através da camada de enlace) porem não o interprete como sendo para ele, pois o IP de destino não é dele, mas sim para que este seja roteado de acordo com sua tabela de roteamento. Ficou confuso né?! Vamos novamente, baseado na figura acima.

O Host A que mandar uma mensagem para o Host B porém ambos estão em redes diferentes. O Host A sabe que não irá alcançar o Host B diretamente então resolve utilizar-se do seu gateway (R1). Mas para que o R1 saiba pra quem enviar o pacote é preciso que exista essa informação. Então no campo IP de destino é mantido o IP do Host B e não o IP do R1 como muitos pensam. Mas então como o R1 recebe esse pacote? Porque no campo MAC de destino é colocado o Mac do R1. Dessa forma ao receber o pacote a camada 2 do R1 irá ver que o MAC de destino é o seu e ira receber o pacote. A camda 3 do R1 irá verificar que o IP de destino não é o do R1, dessa forma ele sabe que de encaminhar o pacote.

Para entender melhor podemos pensar nisso como uma correspondência. Nós colocamos o endereço no destinatário e entregamos a carta aos Correios. Os Correios se responsabilizam em entregar a carta ao seu destino. Nós não precisamos nos preocupar como essa carta chega lá, só temos que lembrar de entregá-la aos Correios. Da mesma forma que o Host A entrega o pacote ao R1 com o endereço do Host B.


Etapa 2 - Roteando dados em toda a rede

Após receber o quadro da camada de enlace, o roteador tentará descobrir o próximo destino deste pacote com base no IP de destino informado no header da camada de rede do pacote. Diferentemente do ocorrido na etapa anterior, a decisão de encaminhamento é tomada após analisar uma tabela de roteamento complexa podendo chegar a possuir dezenas de rotas. Estas rotas sempre correspondem a um grupo isto é, ela identifica a rede ao invés de hosts definidos. Para isto é necessário possuir o par endereço e máscara de rede. Para cada rota na tabela de roteamento está vinculado o next hop (próximo salto, endereço do próximo roteador ao qual deve ser enviado o pacote) e a interface de saída.

Descoberto o próximo salto o pacote será encaminhado com o endereço MAC de origem, roteador R1, e o MAC de destino do próximo salto indicado pela tabela de roteamento.

Todos os roteadores intermediários repetem esta operação até que o pacote seja entregue ao roteador diretamente conectado ao destino.

Etapa 3 - Passando os dados para o destino final

Quando R2 receber o quadro e fizer a consulta do IP de destino na sua tabela de roteamento ele ira constatar que está diretamente conectado ao destino, pois sua rota não indica o próximo salto, somente a interface de saída. Este é o único roteador que interpreta o endereço IP de destino como um todo, não somente o endereço de rede do destino como feito anteriormente.

Para encaminhar este quadro para seu destino final é necessário encaminhá-lo, porem dessa vez com o MAC de destino como sendo do host B, isto será feito através de uma resolução ARP. Após a consulta o quadro será enviado e o host B irá recebê-lo, pois o MAC e o IP que constam nos headers de suas respectivas camadas correspondem ao dele.

Pode-ser notar que o header da camada rede não foi alterado em nenhum momento, mantendo assim a origem e o destino original para que, se necessário, o host B saiba para quem enviar uma resposta.

Desta forma pode-se representar a entrega desse pacote através das camadas implementadas por cada dispositivo da seguinte forma:


Primeiro vamos entender o que significa essa imagem. Temos, representados pelas 7 camadas OSI, o host A e o host B. Os roteadores são representados apenas pelas camadas 1, 2 e 3. Isso se deve ao fato dos hosts implementarem as 7 camadas mas os roteadores apenas as 3 primeiras. As setas pontilhadas mostram a interação entre camadas e as setas com linhas normais mostram o fluxo dos dados.

Podemos ver que os dados são gerados nas camadas superiores do Host A e enviadas "para baixo" até a camada física. A camada física faz a comunicação com o R1 que recebe os dados. A camada de enlace do Host A se comunica com a camada de enlace do R1 e a camada de rede se comunica com a camada de rede do R1. Essa interação entre camadas pode ser entendida mais ou menos assim:
Camada 1: Fluxo de bits, não possui inteligência
Camada 2: Host A falando para o R1: "R1! esse quadro é pra você! Quem mando fui eu, o Host A"
Camada 3: Host A falando para o R1: "R1! esse pacote NÃO é pra você! é pro Host B! Encaminha ele. Quem mandou foi o Host A"

Esse processo se repete entre o R1 e R2:
Camada 1: Fluxo de bits, não possui inteligência
Camada 2: R1 falando para o R2: "R2! esse quadro é pra você! Quem mando fui eu, o R1"
Camada 3: R1 falando para o R2: "R2! esse pacote NÃO é pra você! é pro Host B! Encaminha ele. Quem mandou foi o Host A"

Agora entre o R2 e o Host B:
Camada 1: Fluxo de bits, não possui inteligência
Camada 2: R2 falando para o Host B: "Host B! esse quadro é pra você! Quem mando fui eu, o R2"
Camada 3: R2 falando para o Host B: "Host B! esse pacote é pra você! é pro Host B! Encaminha ele. Quem mandou foi o Host A"

Podemos ver que a mensagem de camada 3 não foi alterada ao longo da transmissão, diferente da mensagem da camada 2. Atentem para a diferença entre quadro e pacote! Vamos ver isso com mais calma adiante quando essa idéia de cabeçalho e protocolo estiver mais firme.

Já as mensagens da camada 4 em diante não são analisadas pelos roteadores, por isso essas camadas "se comunicam diretamente" da origem ao destino.



Protocolos de Roteamento

O roteamento é o processo usado por um roteador para encaminhar pacotes para a rede de destino. Todos os dispositivos ao longo do caminho usam o endereço IP de destino contido no cabeçalho do pacote para orientar-lo na direção correta, a fim de que ele chegue ao seu destino.

As decisões são tomadas com base nas rotas contidas em sua tabela de roteamento. Essas rotas podem ser estabelecidas através da utilização de duas classes dos protocolos de roteamento: Protocolos de Roteamento Dinâmicos e Estáticos.

Ao se utilizar um protocolo de roteamento dinâmico, essa informação é obtida dos outros roteadores, enquanto que com um protocolo de roteamento estático, as informações sobre as redes remotas são configuradas manualmente por meio de comandos na CLI (command line interface) ou pela interface gráfica de um roteador.



Roteamento Estático

Como as rotas estáticas precisam ser configuradas manualmente, qualquer alteração na topologia da rede requer que o administrador adicione e exclua rotas estáticas para refletir essas alterações.

Em uma rede grande, essa manutenção das tabelas de roteamento pode exigir uma quantidade enorme de tempo de administração. Mesmo possuindo desvantagens as rotas estáticas são utilizadas atualmente, porém em conjunto com um protocolo de roteamento dinâmico.



Roteamento Dinâmico

O roteamento dinâmico evita o demorado e rigoroso processo de configuração de rotas estáticas, possibilitando que os roteadores reajam a alterações na rede e ajustem suas tabelas de roteamento adequadamente, sem a intervenção do ser humano.

Para haver o roteamento dinâmico é necessário que os roteadores estejam utilizando um protocolo de roteamento. Um protocolo de roteamento é escolhido entre diversos outros com base em várias considerações: O tamanho da rede; a largura de banda dos links disponíveis; o poder de processamento dos roteadores; as marcas e modelos desses roteadores; e os protocolos que já estão em uso na rede.

Um protocolo de roteamento é a comunicação usada entre os roteadores, pode-se dizer que é uma linguagem entre roteadoes. Um protocolo de roteamento permite que um roteador compartilhe informações com outros roteadores a respeito das redes que ele conhece. Essas informações são usadas para construir e manter uma tabela de roteamento de forma dinâmica. Sempre que houver alteração na topologia de uma rede devido à expansão, re-configuração ou falha, a base de conhecimentos da rede (network knowledgebase) também deve mudar. Quando todos os roteadores de um grupo de redes interconectadas estiverem operando com as mesmas informações sobre a topologia da rede, diz-se que esse grupo convergiu. É desejável uma convergência rápida, pois isso reduz o período durante o qual os roteadores tomam decisões de roteamento incorretas.

Um protocolo de roteamento dinâmico escolhe a melhor rota com base em um fator chamado métrica de roteamento. A métrica pode ser composta de vários fatores, sendo eles: Latência, largura de banda, confiabilidade, carga, contagem de saltos e custo. Cada protocolo de roteamento dinâmico determina quais e como estes valores serão utilizados na fórmula para cálculo da métrica.

http://under-linux.org/members/magnu...o-dinamico.png


A imagem representa a comunicação entre os protocolos de roteamento resultando na distribuição alteração e alteração da tabela de roeamento.


A Tabela de Roteamento

Falamos diversas vezes sobre a tabela de roteamento hoje, então vamos ver uma básico dela!

Uma tabela de roteamento tem, pelo menos, as seguintes informações:



Nesse exemplo estou usando todos os IPs com a máscara 24 para simplificar nas próximas simulações. A tabela de roteamento pode dizer muitas coisas sobre um roteador. Por exemplo, olhando essa tabela vemos que esse roteador tem, pelo menos, 3 interfaces (eth0, eth1 e eth2) e muito provavelmente ele está conectado a duas redes locais (192.168.1.0/24 e 192.168.2.0/24) e apenas uma saída (172.16.32.0/24).

Isso é devido a informação que está na coluna próximo salto. Vemos que ele está diretamente conectado as redes 192.168.1.0/24, 192.168.2.0/24 e 172.16.32.0/24, o que significa que ele possui interfaces nessas redes. Podemos saber que interfaces são olhando a coluna "interface de saída".

Vemos também que nessa rede existem outras duas redes: 10.1.100.0/24 e 10.1.200.0/24. Que podem ser alcançadas pela eth2 desse roteador (pela rede 172.16.32.0/24). O próximo salta para essas redes (outro roteador) é o 172.16.32.254. Com isso podemos inclusive traça um diagrama simplificado da rede.

Agora, vamos fazer uma análise mais simples dessa tabela:

  1. Se esse roteador precisar enviar um pacote para a rede 192.168.1.0/24 ele simplesmente envia para eth0;
  2. Se esse roteador precisar enviar um pacote para a rede 192.168.2.0/24 ele simplesmente envia para eth1;
  3. Se esse roteador precisar enviar um pacote para a rede 172.16.32.0/24 ele simplesmente envia para eth2;
  4. Se esse roteador precisar enviar um pacote para a rede 10.1.100.0/24 ele deve encaminhar o pacote para o roteador (172.16.32.254);
  5. Se esse roteador precisar enviar um pacote para a rede 10.1.200.0/24 ele deve encaminhar o pacote para o roteador (172.16.32.254).

Vemos ai o conceito de "roteador mais inteligente". Esse roteador considera que o 172.16.32.254 é mais inteligente que ele e pode encontrar as redes 10.1.100.0/24 e 10.1.200.0/24. Ele não precisa se preocupar como esse outro roteador vai fazer isso, ele simplesmente acredita que ele consegue!

Aqui entra o conceito de gateway. Dizemos que o gateway da rede 10.1.200.0 é o roteador 172.16.32.254. O gateway é o próximo salta. Trazindo ao pé da letra gateway é um portal, nesse caso o partal de acesso para uma determinada rede. Diferente de default gateway.

Então o que é default gateway?? Bem, essas duas últimas regras poderiam ser simplificadas utilizando um Default Gateway.


Rota Default ou Default Gateway

As rotas default são usadas para rotear pacotes com destinos que não correspondem a nenhuma das outras rotas da tabela de roteamento. Geralmente, os roteadores são configurados com uma rota default para o tráfego dirigido à Internet, já que normalmente é impraticável ou desnecessário manter rotas para todas as redes na Internet.

Uma rota default, na verdade, é uma rota estática especial endereçada a 0.0.0.0 e com máscara 0.0.0.0. Quando um IP de destino é submetido à operação lógica AND com a máscara definida resultará sempre na rede 0.0.0.0.

Utilizando o exercício anterior vamos reescrever a tabela:



Trocamos 2 rotas por uma única rota. Isso é útil em certos cenários. Vamos entender o que essa rota quer dizer: 0.0.0.0/0 = qualquer rede; 172.16.32.254 = envie para o 172.16.32.254. Ou seja, qualquer rede deve ser enviada para o roteador 172.16.32.254. "Como assim qualquer rede??" Qualque rede que não tenha sido especificada antes na tabela de roteamento. Para a galera de firewall iptables isso é similar a política padrão (default policy). O Default Gateway é utilizado quando o roteador não conseguiu descobrir pra onde ele tem que mandar esse pacote. Ele é a última opção, o último recurso.

Vamos a outro exemplo:



Vamos fazer umas "simulações". Tenha em mente que o roteador varre a tabela de cima para baixo em busca de uma ocorrência:

Pacote com destino a 192.168.3.12:

  1. Olha na primeira linha: 192.168.3.0/24 é igual a 192.168.1.0/24? Não...
  2. Olha na segunda linha: 192.168.3.0/24 é igual a 192.168.2.0/24? Não...
  3. Olha na terceira linha: 192.168.3.0/24 é igual a 192.168.3.0/24? SIM!!!!
  4. Como sou diretamente conectado a essa rede, só então envio o pacote pela eth2.

Pacote com detino a 10.1.100.33:

  1. Olha a primeira linha. 10.1.100.0/24 é igual a 192.168.1.0/24? Não...
  2. Olha a segunda linha. 10.1.100.0/24 é igual a 192.168.2.0/24? Não...
  3. Olha a terceira linha. 10.1.100.0/24 é igual a 192.168.3.0/24? Não...
  4. Olha a quarta linha. 10.1.100.0/24 é igual a 172.16.32.0/24? Não...
  5. Olha a quinta linha. 10.1.100.0/24 é igual a 10.1.100.0/24? Sim!
  6. Não sou diretamente conectado... Envio pro próximo salto: 192.168.3.254

Pacote com destino a 13.1.1.23:

  1. Olha a primeira linha. 13.1.1.0/24 é igual a 192.168.1.0/24? Não...
  2. Olha a segunda linha. 13.1.1.0/24 é igual a 192.168.2.0/24? Não...
  3. Olha a terceira linha. 13.1.1.0/24 é igual a 192.168.3.0/24? Não...
  4. Olha a quarta linha. 13.1.1.0/24 é igual a 172.16.32.0/24? Não...
  5. Olha a quinta linha. 13.1.1.0/24 é igual a 10.1.100.0/24? Não...
  6. Cheguei no default gateway (0.0.0.0/0)! Acabou minha tabela... O meu Default Gateway deve saber como chegar nessa rede, vou encaminhar pra ele.
  7. Encaminha pra 192.168.1.254.

De grosso modo, essa é a inteligência do roteador!


Simulação

Vamos ver um vídeo que simula e mostra os aspectos aqui abordados:



Conteúdo da Tabela de roteamento do roteador R1 nesse vídeo:

Router#show ip route
Codes: C - connected, S - static, I - IGRP, R - RIP, M - mobile, B - BGP
D - EIGRP, EX - EIGRP external, O - OSPF, IA - OSPF inter area
N1 - OSPF NSSA external type 1, N2 - OSPF NSSA external type 2
E1 - OSPF external type 1, E2 - OSPF external type 2, E - EGP
i - IS-IS, L1 - IS-IS level-1, L2 - IS-IS level-2, ia - IS-IS inter area
* - candidate default, U - per-user static route, o - ODR
P - periodic downloaded static route

Gateway of last resort is not set

C 192.168.1.0/24 is directly connected, FastEthernet0/0
C 192.168.2.0/24 is directly connected, FastEthernet1/0
Router#



Esse é um exemplo bem simples pois só possui redes diretamente conectadas. Essa rede se torna operacional com apenas 4 linhas de comando!

Vamos agora pensar um uma topologia mais completa:



Vamos analisar um pouco a topologia:

  1. Temos 3 redes locais: 192.168.1.0/24, 192.168.2.0/24 e 192.168.3.0/24;
  2. Cada rede tem 3 hosts: 1, 2 e 254;
  3. O gateway das redes locais são sempre terminados em 254: 192.168.1.254, 192.168.2.254 e 192.168.3.254;
  4. Existem 2 redes de interligação: 172.16.1.0/24 e 172.16.2.0/24. Elas são chamadas de redes de interligação pois não possuiem redes e são utilizadas somente para interligas as redes 192.168.1.0/24, 192.168.2.0/24 e 192.168.3.0/24.

Uma possível tabela de roteamento para os roteadores R1, R2 e R3 são:

R1


R2

R3


Ou podemos simplificar essas tabelas utilizando default gateways:

R1

R2

R3



Referências

* Cisco CCNA - Guia de certificação do Exame, 3a Edição
Wendell Odom

* Redes de Computadores, 4a Edição
Andrew S. Tanenbaum,

* Conteúdo Cisco NetAcad, versão 3.1.1


Fechamento



Bem galera! É isso ai! Na aula passada coloquei uns exercícios no final mas ninguém respondeu! Então desisti de por nesse também! Se for do interesse de alguém os exercícios, reclama ai que eu ponho!

No próximo post vamos ver mais um pouco de roteamento. Classificação dos protocolos de roteamento, um pouco mais sobre endereçamento, endereçamento privado, endereçamento na internet, sub-redes, sumarização de rotas e NAT.

Até lá....

Atualizado 20-01-2010 em 07:47 por Magnun

Categorias
Curso de Redes , Cursos

Comentários

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  1. Avatar de outorgas
    Gostei bastante deste módulo... Gostaria de tentar fazer os exercícios propostos.

    outorgas...
  2. Avatar de Magnun
    Ok! Assim que eu postar os exercícios sobre esse conteúdo te aviso ok?!

    Obrigado pelo comentário!
  3. Avatar de rutrars
    Boa tarde Magnun!!

    Muito bom teu material, parabéns.....
    Uma coisa me intriga, que software vc usou para criar estas simulações? Ele é free? se for free, onde posso consequir?

    Obrigado.
  4. Avatar de Magnun
    Olá rutrars!!

    Utilizei o Cisco Packet Tracer. Cara, pago ele não é! Mas acho que seria de uso restrito. Pois ele é disponibilizado para as pessoas que tem acesso ao site da Cisco. Mas se vc procurar na net, com certeza vocâ acha! Não ponho o link aqui pra não correr o risco de trazer complicações para a Under...

    Nesse post eu fiz a apresentação dele. Dê uma olhada, qualquer dúvida posta ai!
  5. Avatar de Caiut
    Meus parabéns pelo curso Magnum, estou estudando um por um dos posts.
    Iria deixar para agradecer ao final, mas depois do tamanho e da qualidade deste post resolvi dar um alô!
    Parabéns mesmo! Tá muito legal, bem explicado e fácil de entender!
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