Introdução. O significa "rede de computadores"? De uma forma bem resumida, segundo

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1 Introdução Cada um dos três séculos anteriores foi dominado por uma única tecnologia. O Século XVIII foi a época dos grandes sistemas mecânicos, com a Revolução Industrial; O Século XIX foi a era das máquinas a vapor. As principais conquistas tecnológicas do Século XX se deram no campo da aquisição, do processamento e da distribuição de informações. Entre outros desenvolvimentos, vimos a instalação das redes de telefonia em escala mundial, o nascimento e o crescimento sem precedentes da indústria de informática. Como resultado do rápido progresso tecnológico, essas áreas estão convergindo rapidamente e são cada vez menores as diferenças entre coleta, transporte, armazenamento e processamento de informações. Organizações com centenas de escritórios dispersos por uma extensa área geográfica podem, com um simples apertar de um botão, examinar o status atual de suas filiais mais remotas. À medida que cresce nossa capacidade de colher, processar e distribuir informações, torna-se ainda maior a demanda por formas de processamento de informações ainda mais sofisticadas. Apesar de a indústria de informática ainda ser jovem em comparação a outros setores industriais, foi simplesmente espetacular o progresso dos computadores em um curto período de tempo. Durante as duas primeiras décadas de sua existência, os sistemas computacionais eram altamente centralizados, em geral instalados em uma grande sala com paredes de vidro, através das quais os visitantes podiam contemplar embevecidos aquela maravilha eletrônica. Uma empresa de médio porte ou uma universidade contava apenas com um ou dois computadores, enquanto as grandes instituições tinham, no máximo, algumas dezenas. Era pura ficção científica a idéia de que, em apenas 20 anos, haveria milhões de computadores igualmente avançados do tamanho reduzido. A fusão dos computadores e das comunicações teve uma profunda influência na forma como os sistemas computacionais eram organizados. O velho modelo de um único computador atendendo a todas as necessidades computacionais da organização foi substituído pelas chamadas redes de computadores, nas quais os trabalhos são realizados por um grande número de computadores separados, mas interconectados. O significa "rede de computadores"? De uma forma bem resumida, segundo

2 Tanenbaum: um conjunto de computadores autônomos interconectados por uma única tecnologia. Dois computadores estão interconectados quando podem trocar informações. A conexão não precisa ser feita física, não depende de um fio, ou uma fibra óptica, pode ser sem fio também. Embora possa parecer estranho para algumas pessoas, nem a Internet nem a World Wide Web é uma rede computadores. A resposta simples é que a Internet não é uma única rede, mas uma rede de redes, e a Web é um sistema distribuído que funciona na Internet. Existe na literatura uma considerável confusão entre uma rede de computadores e um sistema distribuído. A principal diferença entre eles é que, em um sistema distribuído, um conjunto de computadores independentes parece ser, para seus usuários, um único sistema coerente. Em geral, ele tem um único modelo ou paradigma que apresenta aos usuários. Com freqüência, uma camada de software sobre o sistema operacional, chamada middleware, é responsável pela implementação desse modelo. Um exemplo bem conhecido de sistema distribuído é a World Wide Web, na qual tudo tem a aparência de um documento (uma página da Web). Em uma rede de computadores, essa coerência, esse modelo e esse software estão ausentes. Os usuários ficam expostos às máquinas reais, sem qualquer tentativa por parte do sistema de fazer as máquinas parecerem e atuarem de modo coerente. Se as máquinas tiverem hardware diferente e sistemas operacionais distintos, isso será totalmente visível para os usuários. Se quiser executar um programa em uma máquina remota, o usuário terá de efetuar o logon nessa máquina e executar o programa lá. Na prática, um sistema distribuído é um sistema de software instalado em uma rede. Apesar disso, há uma considerável sobreposição entre os dois assuntos. Enfim, muitos conceitos de redes são aplicados, ou usados, na teoria de sistemas distribuídos. 1.1 Usos de redes de computadores

3 1.1.1 Aplicações comerciais Muitas empresas têm um número significativo de computadores. Por exemplo, uma empresa pode ter computadores separados para monitorar a produção, controlar os estoques e elaborar a folha de pagamento. Inicialmente, cada um desses computadores funcionava isolado dos outros, mas em um determinado momento, a gerência deve ter decidido conectá-los para poder extrair e correlacionar informações sobre a empresa inteira. Em termos um pouco mais genéricos, a questão aqui é o compartilhamento de recursos, e o objetivo é tornar todos os programas, equipamentos e especialmente dados ao alcance de todas as pessoas na rede, independente da localização física do recurso e do usuário. Um exemplo óbvio e bastante disseminado é do compartilhamento de uma impressora comum. Porém, talvez mais importante que compartilhar recursos físicos seja compartilhar informações. Toda empresa de grande e médio porte e muitas empresas pequenas têm uma dependência vital de informações computadorizadas. A maioria das empresas tem registros de clientes, estoques, contas a receber, extratos financeiros, informações sobre impostos e muitas outras informações on-line. Se todos a rede de um banco sofresse uma pane, ele provavelmente não duraria mais de cinco minutos. Hoje, até mesmo uma pequena agência de viagens ou uma firma jurídica com três pessoas depende intensamente da sua rede de computadores para permitir aos seus funcionários acessarem informações e documentos relevantes de forma instantânea. No caso de empresas menores, todos os computadores provavelmente se encontram em um único escritório ou talvez em um único edifício; porém, no caso de empresas maiores, os computadores e funcionários podem estar dispersos por dezenas de escritórios e fábricas em muitos países. No mais simples dos termos, é possível imaginar que o sistema de informações de uma empresa consiste em um ou mais bancos de dados, um ou mais serviços e em algum número de funcionários que precisam acessá-los remotamente. Nesse modelo, os dados são armazenados e disponibilizados pelos servidores. Os funcionários têm acesso, por meio de máquinas mais simples chamadas clientes, aos serviços ou dados disponibilizados pelos servidores. As máquinas clientes e servidores são conectadas entre si por uma rede, como ilustra a Figura 1.1. A rede foi exibida como uma simples elipse, sem qualquer detalhe. Esta forma é utilizada para mencionar uma rede no sentido abstrato.

4 ra Uma rede com dois clientes e um servidor Figu Todo esse arranjo é chamado modelo cliente/servidor. Ele é amplamente usado e constitui a base da grande utilização da rede. Ele é aplicável quando o cliente e o servidor estão ambos no mesmo edifício, mas também quando estão muito distantes um do outro. Por exemplo, quando uma pessoa em sua casa acessa uma página na Web, é empregado o mesmo modelo, com o servidor da Web remoto fazendo o papel do servidor e o computador pessoal do usuário sendo o cliente. Se examinarmos o modelo cliente/servidor, pode-se ver que há dois processos envolvidos, um na máquina cliente e um na máquina servidora. A comunicação toma a forma do processo cliente enviando uma mensagem de requisição pela rede ao servidor. Então, o cliente espera por uma mensagem em resposta. Quando o servidor recebe a solicitação, ele executa o trabalho solicitado ou procura pelos dados solicitados e envia de volta uma resposta. Essas mensagens são mostradas na Figura 1.2. Figura O modelo cliente/servidor Um segundo objetivo de uma rede de computadores está relacionado às pessoas, e

5 não às informações. Uma rede de computadores pode oferecer um eficiente meio de comunicação entre os funcionários. Agora, toda empresa que tem dois ou mais computadores tem o recurso de correio eletrônico ( ), que os funcionários utilizam de forma geral para suprir uma grande parte da comunicação diária. Contudo, o não é a única forma de comunicação otimizada que as redes de computadores tornaram possível. Com uma rede, é fácil duas ou mais pessoas que trabalham em locais muito distantes escreverem juntas um relatório. Outra forma de comunicação é a videoconferência. A videoconferência é uma ferramenta eficiente para eliminar o custo e o tempo anteriormente dedicado às viagens. Um terceiro objetivo para um número cada vez maior de empresas é realizar negócios eletronicamente com outras empresas, em especial fornecedores e clientes. Por exemplo, fabricantes de automóveis, aeronaves e computadores, entre outros, compram subsistemas de diversos fornecedores, e depois montam as peças. Utilizando redes de computadores, os fabricantes podem emitir pedidos eletronicamente, conforme necessário. A capacidade de emitir pedidos em tempo real reduz a necessidade de grandes estoques e aumenta a eficiência. Um quarto objetivo que está começando a se tornar mais importante é o de realizar negócios com consumidores pela Internet. Empresas aéreas, livrarias e lojas de discos descobriram que muitos clientes apreciam a conveniência de fazer compras em casa. Conseqüentemente, muitas empresas fornecem catálogos de suas mercadorias e serviços on-line e emitem pedidos on-line. É o conhecido comércio eletrônico (e-commerce) Aplicações domésticas Alguns dos usos mais populares da Internet para usuários domésticos são: 1. Acesso a informações remotas. 2. Comunicação entre pessoas. 3. Entretenimento interativo. 4. Comércio eletrônico. O acesso a informações remotas tem várias formas. Geralmente significa navegar na Web para obter informações ou apenas por diversão. As informações disponíveis incluem artes, negócios, culinária, governo, saúde, história, passatempos, recreação, ciência, esportes, viagens

6 e muitos outros. Muitos jornais são publicados on-line e podem ser personalizados. A próxima etapa além de jornais, de revistas e periódicos científicos é a biblioteca digital on-line. Todas as aplicações anteriores envolvem interações entre uma pessoa e um banco de dados remoto repleto de informações. A segunda grande categoria de utilização de redes é a comunicação entre pessoas, basicamente a resposta do Século XXI ao telefone do Século XIX. O correio eletrônico ( ) já é usado diariamente por milhões de pessoas em todo o mundo e seu uso está crescendo rapidamente. Em geral, ele já contém áudio e vídeo, além de texto e imagens. Hoje em dia, muitas pessoa usam aplicativos do tipo messenger. Este recurso permite que duas pessoas digitem mensagens uma para a outra em tempo real. Uma versão dessa idéia para várias pessoas é a sala de bate-papo (ou chat room), em que um grupo de pessoas pode digitar mensagens que serão vistas por todos. Newsgroups (grupos de notícias) mundiais, com discussões sobre algum tópico, já são comuns entre grupos de pessoas. Diferentes das salas de bate-papo, os newsgroups não são de tempo real, e as mensagens são gravadas. Assim, por exemplo, quando alguém voltar das férias, todas as mensagens publicadas durante esse período estarão bem guardadas. Outro tipo de comunicação entre pessoas é conhecida como peer-to-peer (par-apar). É diferente do modelo cliente/servidor. Nessa forma de comunicação, indivíduos podem trocar informações diretamente com outros participantes do grupo. Em princípio, toda pessoa pode se comunicar com uma ou mais pessoas; não existe nenhuma divisão fixa entre clientes e servidores. São exemplos, os aplicativos como o napster, e-mule, kazza, etc... Neste serviço, há problemas com relação aos direitos autorais. A empresa Napster foi fechada por este motivo. Outras aplicações orientadas a comunicações incluem a utilização da Internet para realizar chamadas telefônicas, além de videotelefonia e rádio pela Internet, três áreas de rápido crescimento. Outra aplicação é o ensino à distância (e-learning). O uso de redes para aperfeiçoar a comunicação entre os seres humanos pode se mostrar mais importante que qualquer dos outros usos. A terceira categoria é o entretenimento. Uma das aplicações que despontam é o vídeo por demanda. Dentro de aproximadamente uma década talvez seja possível selecionar qualquer filme ou programa de televisão, qualquer que seja a época ou país em que tenha sido produzido, e exibi-lo em sua tela no mesmo instante. Novos filmes poderão se tornar interativos

7 e ocasionalmente o usuário poderá ser solicitado a interferir no roteiro, com cenários alternativos para todas as hipóteses. A televisão ao vivo também poderá se tornar interativa, com os telespectadores participando de programas de perguntas e respostas, escolhendo entre concorrentes e assim por diante. Por outro lado, talvez a aplicação mais importante não seja o vídeo por demanda, mas sim os jogos. Já temos jogos de simulação em tempo real com vários participantes, simuladores de vôo em que os jogadores de uma equipe tentam abater os jogadores da equipe adversária. Se os jogos forem praticados com óculos e imagens tridimensionais de qualidade fotográfica e movimentos em tempo real, teremos uma espécie de realidade virtual compartilhada em escala mundial. A quarta categoria é o comércio eletrônico no sentido mais amplo do termo. Após a compra eletrônica de um produto, caso o cliente não consiga descobrir como usá-lo, poderá ser consultado o suporte técnico on-line. Outra área em que o comércio eletrônico já é uma realidade é o acesso a instituições financeiras para efetuar pagamentos dos pedidos. Uma área que praticamente ninguém previu é a de mercados livres. Leilões on-line de objetos usados se tornaram uma indústria próspera. Diferente do comércio eletrônico tradicional, que segue o modelo cliente/servidor, os leilões on-line se parecem mais com um sistema não hierárquico, uma espécie de sistema de consumidor para consumidor. Tabela Algumas formas de comércio eletrônico Tipo Nome completo Exemplo B2C Business-to-consumer Pedidos de livros on-line B2B Business-to-business Fabricante de automóveis solicitando pneus a um fornecedor G2C Government-to-consumer Imposto de Renda C2C Consumer-to-consumer Leilões on-line de produtos usados P2P Peer-to-peer Compartilhamento de arquivos Sem dúvida a diversidade de usos de redes de computadores crescerá rapidamente no futuro, e esse crescimento se dará, talvez, por caminhos que ninguém é capaz de prever agora. As redes de computadores podem se tornar extremamente importantes para pessoas

8 que se encontram em regiões geográficas distantes, dando a elas o mesmo acesso a serviços que é oferecido às pessoas que vivem em uma grande cidade. O ensino à distância pode afetar de forma radical a educação Usuários móveis Computadores móveis, como notebooks e PDAs (personal digital assistants), constituem um dos segmentos de mais rápido crescimento da indústria de informática. Muitos usuários querem se manter conectados a essa base mesmo quando estão longe de casa ou em trânsito. Tendo em vista que é impossível ter uma conexão por fios em automóveis e aviões, existe um grande interesse em redes sem fios. Nesta seção, examinaremos rapidamente alguns usos das redes sem fios. As redes sem fios têm muitas utilidades. Um uso comum é o escritório portátil. Quando viajam, muitas vezes as pessoas querem usar seu equipamento eletrônico portátil para enviar e receber ligações telefônicas, fax e correio eletrônico, navegar pela Web, acessar arquivos remotos e se conectar a máquinas distantes. Por exemplo, nas conferências de informática de hoje, os organizadores muitas vezes configuram uma rede sem fio na área de conferência. Qualquer pessoa com um notebook e um modem sem fio pode simplesmente ligar o computador e se conectar à Internet, como se o computador estivesse ligado a uma rede de fiação. As redes sem fios têm grande valor para frotas de caminhões, táxis, veículos de entrega e funcionários de serviços de assistência técnica, que precisam manter-se em contato com a base de operações da empresa. As redes sem fios também são importantes para os militares. Se, de uma hora para outra, for necessário disputar uma guerra em qualquer lugar no mundo, talvez não seja possível contar com a possibilidade de usar a infra-estrutura de rede local. Será melhor levar seu próprio equipamento de rede. Embora as redes sem fios e a computação móvel freqüentemente tenham uma estreita relação, elas não são idênticas, como mostra a Tabela 1.4. Observa-se uma distinção entre redes sem fios fixas e sem fios móveis. Tabela Combinações de redes sem fios e computação móvel Sem Móvel Aplicações fios Não Não Computadores de desktop em escritórios

9 Não Sim Um notebook usado em um quarto de hotel Sim Não Redes em edifícios mais antigos que não dispõem de fiação Sim Sim Escritório portátil; PDA para registrar o estoque de uma loja Por outro lado, alguns computadores sem fio não são portáteis. Esse é o caso, por exemplo, das empresas sediadas em edifícios antigos, nos quais não há cabeamento de rede para conectar os computadores. Uma rede sem fio é uma solução que pode ser muito mais econômica do que instalar a fiação necessária no edifício. Porém, é claro que também existem as verdadeiras aplicações sem fios móveis, que variam desde o escritório portátil até vendas, com auxílio do PDA, fora da sede da empresa. Nos aeroportos de grande movimento, os funcionários das locadoras de automóveis trabalham no estacionamento com computadores portáteis sem fios. Eles digitam o número da placa do automóvel que está sendo devolvido, e seus equipamentos portáteis, nos quais há uma impressora interna, entram em contato com o computador principal, acessam as informações sobre o aluguel e imprimem a conta na mesma hora. Outra área em que as redes sem fios podem economizar dinheiro é a da leitura de medidores de consumo de serviços de utilidade pública. Se os medidores de eletricidade, gás, água e outros existentes nos lares das pessoas informassem o consumo mensal por uma rede sem fios, não seria necessário contratar pessoas para fazer a leitura dos medidores. Uma área de aplicação bem diferente para redes sem fios é a fusão esperada de telefones celulares e PDAs, transformando-os em minúsculos computadores sem fios. Uma primeira tentativa nesse sentido foi a dos PDAs sem fios que podiam exibir páginas da Web simples em suas telas ainda mais reduzidas. Esse sistema, chamado WAP 1.0 (Wireless Application Protocol protocolo de aplicações sem fios), foi mal sucedido principalmente devido às telas microscópicas, à baixa largura de banda e ao serviço deficiente. Contudo, dispositivos e serviços mais novos funcionarão melhor com o WAP 2.0. Uma área em que esses dispositivos podem se destacar é chamada m-commerce (mobile-commerce). Fabricantes de PDAs sem fios e operadores de redes estão tentando descobrir como obter uma fatia do comércio eletrônico. Uma de suas esperanças é usar PDAs sem fios em transações bancárias e compras. Uma idéia é usar os PDAs sem fios como uma espécie de carteira eletrônica, autorizando pagamentos em lojas, em substituição ao dinheiro e aos cartões de crédito. O débito aparece então na conta do telefone celular.

10 1.2 Hardware de rede Não existe nenhuma taxonomia de aceitação geral na qual todas as redes de computadores possam ser classificadas, mas duas dimensões se destacam das demais: a tecnologia de transmissão e a escala. Vamos examinar cada uma delas. nos dias de hoje: Em termos gerais, há dois tipos de tecnologias de transmissão em uso disseminado 1. Links de difusão. 2. Links ponto a ponto. As redes de difusão têm apenas um canal de comunicação, compartilhado por todas as máquinas da rede. Mensagens curtas, que em determinados contextos são chamadas pacotes, enviadas por qualquer máquina, são recebidas por todas as outras. Um campo de endereço dentro do pacote especifica o destinatário pretendido. Quando recebe um pacote, uma máquina verifica o campo de endereço. Se o pacote se destinar à máquina receptora, ela o processará; se for destinado a alguma outra máquina, o pacote será simplesmente ignorado. Em geral, os sistemas de difusão também oferecem a possibilidade de endereçamento de um pacote a todos os destinos, com a utilização de um código especial no campo de endereço. Quando um pacote com esse código é transmitido, ele é recebido e processado por todas as máquinas da rede. Esse modo de operação é chamado difusão (broadcasting). Alguns sistemas de difusão também admitem a transmissão para um subconjunto das máquinas, o que se conhece como multidifusão (multicasting). Em contraste, as redes ponto a ponto consistem em muitas conexões entre pares de máquinas individuais. Para ir da origem ao destino, um pacote nesse tipo de rede talvez tenha de visitar primeiro uma ou mais máquinas intermediárias. Como normalmente é possível haver várias rotas com diferentes tamanhos, encontrar boas rotas é algo importante em redes ponto a ponto. Como regra geral, redes menores geograficamente localizadas tendem a usar difusão, enquanto redes maiores em geral são redes ponto a ponto. A transmissão ponto a ponto com um transmissor e um receptor às vezes é chamada (unicasting). Um outro critério para classificar as redes é sua escala. Na Figura 1.5, é mostrada uma classificação de sistemas organizada por seu tamanho físico. Na parte superior encontram-

11 se as redes pessoais, redes destinadas a uma única pessoa. Por exemplo, uma rede sem fios conectando um computador com o mouse, o teclado e a impressora é uma rede pessoal. Além das redes pessoais, encontramos redes de maior abrangência. Essas redes podem ser divididas em redes locais, metropolitanas e geograficamente distribuídas (ou remotas). Finalmente, a conexão de duas ou mais redes é chamada inter-rede. A Internet mundial é um exemplo bastante conhecido de inter-rede. Tabela Classificação de processadores interconectados por escala Distância entre Processadores localizados Exemplo Acrônimo processadores no(a) mesmo(a) 1 m Metro quadrado Rede pessoal PAN 10 m Sala 100 m Edifício Rede local LAN 1 km Campus 10 km Cidade Rede metropolitana MAN 100 km País Rede geograficamente km Continente distribuída WAN km Planeta Internet Internet Acrônimos: PAN Personal Area Network LAN Local Area Network MAN Metropolitan Area Network WAN Wide Area Network Redes locais As redes locais, chamadas LANs, são redes privadas contidas em um único edifício ou campus universitário com até alguns quilômetros de extensão. Elas são amplamente usadas para conectar computadores pessoais e estações de trabalho em escritórios e instalações industriais de empresas, permitindo o compartilhamento de recursos e a troca de informações. As LANs têm três características que as distinguem de outros tipos de redes: (1) tamanho, (2) tecnologia de transmissão e (3) topologia. As LANs têm um tamanho restrito, o que significa que o pior tempo de transmissão é limitado e conhecido com antecedência. A tecnologia de transmissão das LANs quase sempre consiste em um cabo. As LANs tradicionais funcionam em velocidades de 10 Mbps a 100 Mbps, têm baixo retardo (microssegundos ou nanossegundos) e cometem pouquíssimos erros. As LANs mais modernas operam em até 10 Gbps.

12 As LANs de difusão admitem diversas topologias, as mais conhecidas são: anel, barramento e estrela. Lembrando que esta é uma topologia de ligação entre os dispositivos, e não uma apresentação física de rede. A Figura 1.6 mostra duas delas. Por exemplo, o padrão IEEE 802.3, mais conhecido como Ethernet, é uma rede de difusão de barramento com controle descentralizado, em geral operando em velocidades de 10 Mbps a 10 Gbps. Os computadores em uma rede Ethernet podem transmitir sempre que desejam; se dois ou mais pacotes colidirem, cada computador aguardará um tempo aleatório e fará uma nova tentativa mais tarde. Figura Duas redes de difusão. (a) Barramento (b) Anel O IEEE (a rede Token Ring da IBM) é uma rede local baseada em anel que opera a 4 e 16 Mbps. O FDDI é outro exemplo de uma rede de anel. As redes de difusão ainda podem ser divididas em estáticas e dinâmicas, dependendo do modo como o canal é alocado Redes metropolitanas Uma rede metropolitana, ou MAN, abrange uma cidade. Um primeiro exemplo de uma MAN é a rede de televisão a cabo disponível em muitas cidades. Desde sua concepção até o final da década de 1990, eles se destinavam somente à recepção de televisão. A partir do momento em que a Internet atraiu uma audiência de massa, as operadoras de redes de TV a cabo começaram a perceber que, com algumas mudanças no sistema, eles poderiam oferecer serviços da Internet de mão dupla em partes não utilizadas do espectro. Nesse momento, o sistema de TV a cabo começou a se transformar, passando de uma forma de

13 distribuição de televisão para uma rede metropolitana. Uma generalização de uma MAN, via rede da TV a cabo é mostrado na Figura 1.7. Nessa figura, observa-se que os sinais de televisão e da Internet são transmitidos ao headend centralizado para distribuição subseqüente às casas das pessoas. Figura Uma rede metropolitana baseada na TV a cabo Outro exemplo de MAN é o IEEE , conhecido como Wi Max. Será discutido mais adiante, no próximo Capítulo Redes geograficamente distribuídas Uma rede geograficamente distribuída, ou WAN (wide area network), abrange uma grande área geográfica, com freqüência um país ou continente. Ela contém um conjunto de máquinas cuja finalidade é executar as aplicações do usuário. Chama-se essas máquinas de hosts. Os hosts estão conectados por uma sub-rede de comunicação ou, simplificando, uma sub-rede. Os hosts pertencem aos usuários (por exemplo, computadores pessoais), enquanto a sub-rede de comunicação em geral pertence e é operada por uma empresa de telefonia ou por um provedor de serviços da Internet. A tarefa da sub-rede é transportar mensagens de um host para outro. Essa estrutura de rede é altamente simplificada, pois separa os aspectos da comunicação pura da rede (a sub-rede) dos aspectos de aplicação (os hosts). Nesse modelo, mostrado na Figura 1.8, os hosts em geral estão conectados a uma

14 LAN em que há um roteador, embora em alguns casos um host possa estar conectado diretamente a um roteador. O conjunto de linhas de comunicação e roteadores (sem os hosts) forma a sub-rede. Figura Relação entre hosts em LANs e a sub-rede Redes sem fios As redes sem fios podem ser divididas em três categorias principais: 1. Interconexão de sistemas. 2. LANs sem fios. 3. WANs sem fios. A interconexão de sistemas significa interconectar os componentes de um computador usando rádio de alcance limitado. Quase todo computador tem um monitor, um teclado, um mouse e uma impressora, conectados por cabos à unidade principal. É tão grande o número de novos usuários que enfrentam grande dificuldade para conectar todos os cabos aos orifícios corretos que a maioria dos fabricantes de computadores oferece a opção de enviar um técnico à casa do usuário para fazê-lo. Conseqüentemente, algumas empresas se uniram para projetar uma rede sem fio de alcance limitado chamada Bluetooth (802.15), a fim de conectar esses componentes sem a utilização de fios. A rede Bluetooth também permite a conexão de câmeras digitais, fones de ouvido, scanners e outros dispositivos a um computador, simplesmente trazendo-os para dentro do alcance da rede. Nada de cabos, nada de instalação de drivers; basta juntá-los, ligá-los e eles funcionarão. Para muitas pessoas, essa facilidade de operação é uma grande vantagem. A próximo tipo de redes sem fios são as LANs sem fios. Elas são sistemas em que o

15 computador tem um modem de rádio e uma antena por meio dos quais pode se comunicar com outros sistemas. As LANs sem fios estão se tornando cada vez mais comuns em pequenos escritórios e nos lares, onde a instalação da Ethernet é considerada trabalhosa demais, bem como em antigos edifícios comerciais, salas de conferências e outros lugares. Existe um padrão para LANs sem fios, chamado IEEE (WiFi), que a maioria dos sistemas implementa e que está se tornando bastante difundido. O terceiro tipo de rede sem fio é usada em sistemas geograficamente distribuídos. A rede de rádio utilizada para telefonia celular é um exemplo de sistema sem fio de baixa largura de banda. Em certo sentido, as redes celulares sem fios são semelhantes às LANs sem fios, exceto pelo fato de que as distâncias envolvidas são muito maiores e as taxas de bits muito mais baixas. As LANs sem fios podem operar em velocidades de até 50 Mbps, sobre distâncias de dezenas de metros. Os sistemas celulares operam abaixo de 1 Mbps, mas a distância entre a estação base e o computador ou telefone é medida em quilômetros, e não em metros. Além dessas redes de baixa velocidade, também estão sendo desenvolvidas redes sem fios geograficamente distribuídas de alta largura de banda. O enfoque inicial é o acesso à Internet de alta velocidade sem fios a partir dos lares e de empresas comerciais, sem a utilização do sistema de telefonia. Esse serviço é chamado com freqüência serviço de distribuição local multiponto. Também foi desenvolvido um padrão para esse serviço, chamado WiMax (IEEE ). Quase todas as redes sem fios se conectam à rede de fiação em algum ponto Redes domésticas As redes domésticas estão surgindo no horizonte. A idéia fundamental é que, no futuro, a maioria dos lares estará configurada para redes. Todo dispositivo doméstico será capaz de se comunicar com cada um dos outros dispositivos, e todos eles estarão acessíveis pela Internet. Esse é um daqueles conceitos visionários, mas depois que chegaram, ninguém consegue mais imaginar como viver sem eles. Muitos dispositivos são capazes de se conectar em rede. Algumas das categorias mais óbvias (com exemplos) são: 1. Computadores (PC, notebook, PDA, periféricos compartilhados). 2. Entretenimento (TV, DVD, videocassete, câmera de vídeo, câmera fotográfica, MP3).

16 3. Telecomunicações (telefone, celular, fax). 4. Eletrodomésticos (microondas, refrigerador, relógio, forno, condicionador de ar, lâmpadas). 5. Telemetria (medidor de consumo de serviços de utilidade pública, alarme de fumaça/arrombamento, termostato, babycam). As redes de computadores domésticos já estão entre nós, em forma limitada. Muitos lares já têm um dispositivo para conectar vários computadores a uma conexão rápida da Internet. O entretenimento em rede ainda não é comum, mas à medida que uma quantidade cada vez maior de músicas e filmes puderem ser baixados da Internet, haverá demanda para conectar aparelhos estereofônicos e de televisão a ela. O equipamento de telecomunicações já está conectado ao mundo exterior, mas logo ele será digital e acessará a Internet. Por fim, o monitoramento remoto da casa e de seu conteúdo será a questão mais importante. Provavelmente muitos pais estariam dispostos a gastar algum dinheiro para monitorar o quarto de dormir do bebê em seus PDAs quando estiverem jantando fora, mesmo que uma babá esteja com a criança. Embora seja possível imaginar uma rede separada para cada área de aplicação, a integração de todas elas em uma única rede talvez seja uma idéia melhor. Uma questão interessante é saber se as redes domésticas estarão fisicamente conectadas ou serão redes sem fios. A maioria das casas já tem seis redes instaladas: as de eletricidade, telefonia, TV a cabo, água, gás e esgoto. Acrescentar uma sétima rede durante a construção não é difícil, mas remodelar casas existentes é muito dispendioso. O custo favorece às redes sem fios, mas a segurança favorece às redes fisicamente conectadas. Este problema das redes sem fios será discutido na Disciplina de Tecnologia de Redes e Internet. Em suma, as redes domésticas oferecem muitas oportunidades e muitos desafios. A maior parte desses desafios se relaciona à necessidade de ser fácil de administrar, confiável e segura, especialmente nas mãos de usuários não técnicos, ao mesmo tempo que oferece alto desempenho a baixo custo Inter-redes Existem muitas redes no mundo, com freqüência apresentando diferentes tipos de hardware e software. Normalmente, as pessoas conectadas a redes distintas precisam se comunicar entre si. Para que esse desejo se torne uma realidade, é preciso que se estabeleçam conexões entre redes quase sempre incompatíveis, às vezes por meio de máquinas chamadas

17 gateways, que estabelecem a conexão e fazem a conversão necessária, tanto em termos de hardware quanto de software. Um conjunto de redes interconectadas é chamado inter-rede ou internet. Esses termos serão usados em um sentido genérico, em contraste com a Internet mundial (uma inter-rede específica), que sempre será representada com inicial maiúscula. Uma forma comum de inter-rede é um conjunto de LANs conectadas por uma WAN. Em geral, sub-redes, redes e inter-redes se confundem. Uma sub-rede faz mais sentido no contexto de uma rede geograficamente distribuída, onde ela se refere ao conjunto de roteadores e linhas de comunicação pertencentes à operadora da rede. 1.3 Software de rede No projeto das primeiras redes de computadores, o hardware foi a principal preocupação e o software ficou em segundo plano. Essa estratégia foi deixada para trás. Atualmente, o software de rede é altamente estruturado. A seguir, será examinado com algum detalhe a técnica de estruturação do software Hierarquias de protocolos Para reduzir a complexidade do projeto, a maioria das redes é organizada como uma pilha de camadas ou níveis, colocadas umas sobre as outras. O número de camadas, o nome, o conteúdo e a função de cada camada diferem de uma rede para outra. No entanto, em todas as redes o objetivo de cada camada é oferecer determinados serviços às camadas superiores, isolando essas camadas dos detalhes de implementação desses recursos. Em certo sentido, cada camada é uma espécie de máquina virtual, oferecendo determinados serviços à camada situada acima dela. A idéia fundamental é que um determinado item de software (ou hardware) fornece um serviço a seus usuários, mas mantém ocultos os detalhes de seu estado interno e de seus algoritmos. A camada n de uma máquina se comunica com a camada n de outra máquina. Coletivamente, as regras e convenções usadas nesse diálogo são conhecidas como o protocolo da camada n. Basicamente, um protocolo é um acordo entre as partes que se comunicam, estabelecendo como se dará a comunicação.

18 A Figura 1.9 ilustra uma rede de cinco camadas. As entidades que ocupam as camadas correspondentes em diferentes máquinas são chamadas pares (peers). Os pares podem ser processos, dispositivos de hardware ou mesmo seres humanos. Em outras palavras, são os pares que se comunicam utilizando o protocolo. Host 1 Camada 5 Protocolo da camada 5 Host 2 Camada 5 Interface 4/5 Camada 4 Protocolo da camada 4 Camada 4 Interface 3/4 Camada 3 Protocolo da camada 3 Camada 3 Interface 3/2 Camada 2 Protocolo da camada 2 Camada 2 Interface 2/1 Camada 1 Protocolo da camada 1 Camada 1 Meio Físico Figura Camadas, protocolos e interfaces Na realidade, os dados não são transferidos diretamente da camada n de uma máquina para a camada n de outra máquina. Em vez disso, cada camada transfere os dados e as informações de controle para a camada imediatamente abaixo dela, até ser alcançada a camada mais baixa. Abaixo da camada 1 encontra-se o meio físico através do qual se dá a comunicação propriamente dita. Na Figura 1.9, a comunicação virtual é mostrada por linhas pontilhadas e a comunicação física por linhas contínuas. Entre cada par de camadas adjacentes existe uma interface. A interface define as operações e os serviços que a camada inferior tem a oferecer à camada que se encontra acima dela. Cada camada executa um conjunto específico de funções bem definidas. Um conjunto de camadas e protocolos é chamado arquitetura de rede. A especificação de uma arquitetura deve conter informações suficientes para permitir que um implementador desenvolva o programa ou construa o hardware de cada camada, de forma que ela obedeça corretamente ao protocolo adequado. Uma lista de protocolos usados por um determinado sistema, um protocolo por camada, é chamada pilha de protocolos.

19 Uma analogia pode ajudar a explicar a idéia de uma comunicação em vários níveis. Imagine dois filósofos (processos pares da camada 3), um dos quais fala urdu e inglês e o outro fala chinês e francês. Como não falam um idioma comum, eles contratam tradutores (processos pares da camada 2), que por sua vez têm cada qual uma secretária (processos pares da camada 1). O filósofo 1 deseja transmitir sua predileção por oryctolagus cuniculus a seu par. Para tal, ele envia uma mensagem (em inglês) através da interface 2/3 a seu tradutor, na qual diz "I like rabbits", como mostra a Figura Como os tradutores resolveram usar um idioma neutro, o holandês, a mensagem foi convertida para "Ik vind konijnen leuk". A escolha do idioma é o protocolo da camada 2, que deve ser processada pelos pares da camada 2. O tradutor entrega a mensagem a uma secretária para ser transmitida, por exemplo, pelo fax (o protocolo da camada 1). Quando chega, a mensagem é traduzida para o francês e passada através da interface 2/3 para o filósofo 2. Observe que cada protocolo é totalmente independente dos demais, desde que as interfaces não sejam alteradas. Nada impede que os tradutores mudem do holandês para o finlandês, desde que ambos concordem com a modificação e que ela não afete sua interface com a camada 1 ou com a camada 3. De modo semelhante, as secretárias também podem passar de fax para correio eletrônico ou telefone sem incomodar (ou mesmo informar) as outras camadas. Cada processo só pode adicionar informações dirigidas a seu par. Essas informações não são enviadas à camada superior. Local A Local B 3 I like rabbits Messagem Filósofo J'aime bien les lapins 3 2 L: holandês Ik vind konijnen leuk Informação para o tradutor remoto Tradutor L: holandês Ik vind konijnen leuk 2 1 Fax #--- L: holandês Ik vind konijnen leuk Informação para a secretária remota Secretária Fax #--- L:holandês Ik vind konijnen leuk 1 Figura A arquitetura filósofo-tradutor-secretária Veja agora um exemplo mais técnico: como oferecer comunicação à camada superior

20 da rede de cinco camadas da Figura Uma mensagem M é produzida por um processo de aplicação que funciona na camada 5 e é entregue à camada 4 para transmissão. A camada 4 coloca um cabeçalho no início da mensagem para identificá-la e envia o resultado à camada 3. O cabeçalho inclui informações de controle, como números de seqüência, a fim de permitir à camada 4 da máquina de destino repassar as mensagens na ordem correta, caso as camadas inferiores não mantenham a seqüência. Em algumas camadas, os cabeçalhos contêm ainda tamanho, hora e outros campos de controle. Figura Exemplo de fluxo de informações que admite a comunicação virtual na camada 5 Em muitas redes, não há limite para o tamanho das mensagens transmitidas no protocolo da camada 4, mas quase sempre há um limite imposto pelo protocolo da camada 3. Conseqüentemente, a camada 3 deve dividir as mensagens recebidas em unidades menores, pacotes, anexando um cabeçalho da camada 3 a cada pacote. Nesse exemplo, M é dividido em duas partes, M 1 e M 2. A camada 3 define as linhas de saída que serão usadas e transmite os pacotes à camada 2. A camada 2 acrescenta não apenas um cabeçalho à cada fragmento, mas também um final, e fornece a unidade resultante à camada 1 para transmissão física. Na máquina receptora, a mensagem se move de baixo para cima, de camada em camada, com os cabeçalhos sendo retirados durante o processo. Nenhum dos cabeçalhos das camadas abaixo de n é repassado à

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