Fundamentos de Redes de Dados e Comunicação

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1 Fundamentos de Redes de Dados e Comunicação 191

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3 FUNDAMENTOS DE REDE DE DADOS E COMUNICAÇÃO Redes de Computadores 1 REDES DE COMPUTADORES 1.1 Introdução A indústria da informática teve um progresso espetacular em um curto período de tempo e as redes de computadores também fazem parte desse crescimento. Hoje, com um simples clique de um botão, as organizações, com suas filiais espalhadas pelo mundo, podem comunicar-se e obter informações sobre desempenho, relatórios de produção, estoque e clientes, independente da sua localização. Durante a primeira década dos sistemas computacionais, os computadores eram altamente centralizados, as empresas e universidades possuíam apenas um ou dois computadores e as grandes instituições algumas dezenas. Todos eles eram isolados, não existia nenhuma comunicação entre eles. 1 Com o avanço da comunicação, a forma com que os sistemas computacionais operavam foi totalmente modificada, a visão que os usuários tinham sobre os grandes centros de computação, em que os trabalhos eram levados para serem processados, tornou-se obsoleta, sendo substituídos pelas redes de computadores. Agora, os trabalhos são processados por um 193

4 Rede de Computadores grande número de computadores separados fisicamente e totalmente interligados. Em termos práticos, uma rede de computador é formada por dois ou mais computadores interligados, podendo existir uma troca de informação entre eles. Essa ligação não precisa ser feita obrigatoriamente através de um fio, pois existem diversas tecnologias que permitem a troca de dados, como infravermelho, microondas, satélite etc Redes de Computadores em aplicações comerciais Atualmente, as empresas possuem um grande número de computadores para desempenhar os mais diversos tipos de aplicações, como monitoramento, controle de produção e estoque, geração de planilhas e relatórios etc. Inicialmente, cada processo era feito de modo isolado, não existia nenhuma forma de correlacionamento de informações e compartilhamento de recursos. Foi observado então, que com a interligação desses computadores espalhados pelas empresas, era possível comunicar os mais diversos sistemas, além de compartilhar recursos como impressores e drivers de cd-rom, o que permite que todos os usuários da rede utilizem esses recursos. 194

5 FUNDAMENTOS DE REDE DE DADOS E COMUNICAÇÃO 1 20 Na maioria dos casos em que as empresas implantam em sua estrutura uma rede de computadores, elas sempre obtêm economia com o compartilhamento de recursos. Como exemplo, imagine a situação em que existem várias impressoras individuais, sendo estas substituídas por uma única impressora de grande porte, com essa troca, a manutenção é facilitada, permite o acesso de um número maior de usuários, além de possibilitar o controle do número de impressões. Tão importante quanto o compartilhamento de recursos é o compartilhamento de informações. As grandes instituições possuem filiais espalhadas por regiões diferentes e precisam acessar informações que são comuns a todas, como registro de clientes, estoque de produtos, pedidos, etc. O fato de os usuários estarem em países diferentes, não impede que eles acessem esses dados como se eles estivessem armazenados em seu computador local. Para permitir esta facilidade de acesso, são utilizados servidores de grande porte para o armazenamento de informações e os usuários, com suas estações de trabalho, acessam esses dados remotamente. Essa comunicação entre computadores clientes e servidores é feita através das redes de computadores. 2 Temos como exemplo de um modelo cliente/servidor, o acesso a uma página na internet, onde o usuário é o cliente que solicita através do seu navegador Web, um site qualquer e o servidor remoto encarrega-se de responder à solicitação do cliente. Observe que nesse modelo existem dois processos envolvidos, formado pelo computador cliente e o computador servidor. 19

6 Rede de Computadores 1 20 Além do compartilhamento de recursos e informações, as redes de computadores podem oferecer um eficiente meio de comunicação entre seus usuários. Muitas empresas utilizam o correio eletrônico ( ) para troca de informações, evitando o deslocamento e gasto com ligações. Percebemos então, o enorme ganho que o meio corporativo obteve com a implantação das redes de computadores. Seus dados e dispositivos agora podem ser compartilhados e acessados por filiais em qualquer parte do mundo, além de promover uma melhor comunicação entre seus usuários. 1.3 Redes de computadores domésticas No início, talvez o maior objetivo para se ter um computador em casa fosse utilizar os aplicativos de texto e os jogos. Atualmente, esse pensamento mudou radicalmente com a chegada da internet, é permitido ao usuário doméstico acessar informações remotas, comunicação entre usuários, jogos online e o correio eletrônico. Com a internet, os usuários podem obter informações dos mais variados gêneros como esporte, arte, ciência, automóveis, história, dentre muitos outros. Os portais de informação atualizam seus artigos minuto a minuto, proporcionando aos seus usuários informações recentes. Além de ler as notícias, como se estivesse lendo um jornal on-line, o leitor pode acompanhar debates, julgamentos, resultados de jogos, eventos importantes, tudo em tempo real. 196

7 FUNDAMENTOS DE REDE DE DADOS E COMUNICAÇÃO Todas as aplicações que citamos anteriormente envolvem a interação entre o usuário e um banco de dados. Outra categoria de utilização de redes de computadores é a comunicação entre os usuários, comandada principalmente pelo que já faz parte do dia-a-dia das pessoas e é utilizado por milhões de pessoas em todo o mundo. A troca de mensagens instantâneas como MSN Messenger, ICQ, Google Messenger virou uma febre entre os jovens, as salas de bate-papo são muito visitadas por pessoas que desejam discutir assuntos em comum. Essa interatividade entre os usuários, proporcionada pela grande rede de computadores é que faz da internet um sucesso Por fim, há o entretenimento que é composto principalmente pelos jogos em rede e jogos on-line. Os jogos em redes estão perdendo espaço para os on-line, principalmente pela sua limitação de estrutura física, pois os jovens montam suas redes caseiras formadas por dois ou mais computadores e ficam restritos à estrutura e ao espaço físico limitado. Com os online, basta apenas estar conectado à internet, em que é possível acessar jogos de simulação em tempo real formados por equipes de vários participantes, onde o usuário pode competir com jogadores de todas as partes do mundo. 197

8 Rede de Computadores As redes de computadores tornaram-se extremamente importantes para as pessoas que se encontram em regiões distantes, pois propiciam a elas serviços que são oferecidos às pessoas das grandes cidades, e sem dúvida a diversidade do uso das redes de computadores crescerá rapidamente no futuro, e chegará onde ninguém é capaz de prever agora TOPOLOGIAS DE REDES As redes de computadores de modo geral estão presentes em nosso dia-a-dia, estamos tão acostumados a utilizá-las que não nos damos conta da sofisticação e complexidade da estrutura, que mantém os dados e as informações ao nosso redor. A maneira com que as redes de computadores são interligadas é um ponto importante, pois dispositivos podem ser interconectados de várias formas envolvendo tanto o ponto de vista físico, como o lógico. A topologia física refere-se ao layout físico e ao meio de conexão dos dispositivos de redes, ou seja, como eles são conectados, e esses dispositivos que formam a estrutura de uma rede são chamados de nós ou nodos. A topologia lógica é a forma com que os nós se comunicam através dos meios de transmissão. As redes são compostas por arranjos topológicos interligados, cuja principal finalidade, a economia de recursos, pois com suas estruturas o compartilhamento e o processamento individual são distribuídos para todos, o que torna as informações ao alcance de todos os usuários que estão conectados. 2.1 Topologias Físicas Ponto a Ponto É a topologia mais simples e pode ser representada por dois computadores interligados entre si, através de um meio de 198

9 FUNDAMENTOS DE REDE DE DADOS E COMUNICAÇÃO transmissão qualquer. A topologia ponto a ponto é a base para a formação de novas topologias, com a inclusão de outros nós em sua estrutura Barramento No barramento, todos os nós estão ligados ao mesmo meio de transmissão, onde o tempo e a freqüência são importantes para a transmissão dos dados. Todos os nós que estão ligados à barra, podem ouvir as informações que estão sendo transmitidas, o que facilita o uso de aplicações que necessitam da difusão de mensagens para múltiplas estações. Para controlar o acesso das estações ao barramento, existem dois modos de controle, o centralizado que é um nó especial na rede que determina ou não o direito de um nó acessar o barramento, e o descentralizado em que o controle de acesso é distribuído entre os nós. O desempenho da topologia em barra é determinado pelo número de estações conectadas, meios de transmissão utilizados, tráfego, entre outros fatores. 199

10 Rede de Computadores Anel ou Ring A topologia em anel é formada por nós conectados através de um percurso fechado, onde o sinal circula na rede passando por cada estação. Essas estações fazem o papel de repetidoras e retransmitem o sinal até que o destinatário seja encontrado. É capaz de transmitir e receber informações em ambos os sentidos, o que torna os protocolos de entrega de mensagens aos destinatários, menos sofisticados. Infelizmente essa topologia é pouco tolerável à falha, sendo complicado a implantação de detecção de erros, que podem fazer com que uma mensagem circule eternamente no anel. Para contornar esse tipo de problema, uma estação pode iniciar o anel, monitorar o envio de pacotes e diagnosticar o funcionamento da rede, essa estação monitora pode ser dedicada ou então cada estação assume a monitoria por um determinado período de tempo Estrela A topologia em estrela é formada por diversas estações conectadas a um dispositivo central e toda a comunicação é supervisionada por esse nó central. 200

11 FUNDAMENTOS DE REDE DE DADOS E COMUNICAÇÃO A unidade central tem o poder de determinar a velocidade de transmissão entre o transmissor e o receptor, e converter sinais transmitidos por protocolos diferentes, o que permite a comunicação entre redes de fabricantes distintos. As falhas em estações ou na ligação entre a estação e o nó central, deixam de fora apenas o nó que está envolvido na ligação, mas se a falha ocorrer no nó central, todo o sistema ficará fora do ar. Como solução para esse tipo de problema, teríamos a replicação de estações centrais, só que os custos aumentariam bastante, o que limita a implantação dessa topologia. 1 O seu desempenho está totalmente ligado à unidade central, pois depende do tempo de que ela necessita para o processamento e o encaminhamento de mensagens. Apesar de todos os seus problemas, essa topologia permite um melhor controle da rede e a maioria dos sistemas de redes implementam essa configuração Árvore É equivalente a várias redes estrelas interligadas entre si, essa ligação é feita através dos seus nós centrais. É utilizada principalmente na ligação de Hub`s e repetidores, conhecida também como cascateamento. 201

12 Rede de Computadores Estrutura Mista ou Híbrida É uma mistura de topologias, que tem como características as ligações ponto a ponto e multiponto e com isso se obtém redes complexas proporcionando um maior número de recursos. A estrutura mista pode conter a topologia anel, estrela, barra etc Grafo (Parcial) A topologia em grafo engloba características de várias topologias, e cada nó da rede possui uma rota alternativa que pode ser usada em caso de falha ou congestionamento. Essas rotas são traçadas por nós, que têm a função de rotear endereços que não pertencem a sua rede. 202

13 FUNDAMENTOS DE REDE DE DADOS E COMUNICAÇÃO Comparativo entre as topologias mais conhecidas. Topologias Vantagens Desvantagens Estrela Barramento Anel - Monitoramento - Instalação simples - Estrutura simples - Pouco cabeamento - Instalação simples - Desempenho uniforme - Custo de instalação - Muito cabeamento - Lentidão causada pelo uso intenso - Dificuldade no isolamento de problemas Dificuldade em isolar problemas - Se um nó parar, todos param 2.2 Topologias Lógicas Como falamos anteriormente as topologias lógicas significam a forma com que os nós se comunicam através dos meios físicos. Os dois tipos mais comuns de topologias lógicas são o Broadcast e a passagem de Token. Na topologia de Broadcast o nó envia seus dados a todos os nós espalhados pela rede. Não existe nenhum tipo de ordem para este envio, o único tipo de ordem é: o primeiro a chegar é o primeiro a usar. A Ethernet funciona dessa forma. 203

14 Rede de Computadores Ethernet A Ethernet é a tecnologia mais utilizada em redes locais, ela pode ser encontrada em topologias do tipo estrela que é composta por ligações utilizando cabeamento par trançado e uma unidade central e em topologias do tipo barramento com a utilização de cabo coaxial. Nesse tipo de rede, a estação que deseja transmitir ouve o tráfego na rede, se não ouvir nada, ela transmite a informação. Se duas estações transmitirem informações ao mesmo tempo, ocorrerá uma colisão de pacotes, cada estação será alertada sobre a colisão e elas esperarão um período aleatório para transmitirem novamente. Esse método é conhecido como CSMA/ CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection). A segunda topologia lógica é a passagem de Token, onde um sinal de Token controla o envio de dados pela rede. Um exemplo de rede que utiliza a passagem de token é a Token Ring Token Ring O método de acesso Token Ring utiliza a topologia em anel para transmitir dados entre duas estações. A estação transmissora necessita obter um sinal (Token), que concede à estação o direito de transmissão e percorre a rede de nó em nó. Apenas um Token está disponível na rede, o que faz com que uma única estação acesse a rede por vez, evitando-se colisões de pacotes. Seu funcionamento é feito da seguinte forma: 1. O sinal de Token circula no anel; 2. O emissor espera a chegada do Token; 2 3. O emissor captura o Token e transmite os dados; 4. O receptor recebe os dados e libera o Token. 204

15 FUNDAMENTOS DE REDE DE DADOS E COMUNICAÇÃO 1 3 TIPOS DE TRANSMISSÃO 3.1 Sinais Elétricos Os sinais elétricos são tensões que variam ao longo do tempo, sendo que algumas delas são úteis, pois transmitem alguns tipos de dados, como os que trafegam nas redes de computadores. Essas tensões podem ser classificadas como sinais analógicos e digitais Sinais Digitais A grande maioria dos sinais elétricos utilizados na computação são digitais, e os que são analógicos são digitalizados para que depois sejam processados e armazenados. Os sinais digitais assumem uma infinidade de valores, mas não são matematicamente perfeitos, por isso eles não representam apenas dois valores 0 e 1, como alguns textos ensinam. Como exemplo, em uma transmissão de uma seqüência de bits são usadas as tensões de + 12 volts e 12 volts para representar os bits 0 e 1, só que elas não assumem valores exatos, acontecendo oscilações e em vez de + 12 volts, temos + 11,3 volts ou 12,20 volts. Além dessas oscilações, o sinal pode sofrer ruídos e interferências, problema que não prejudica a qualidade do sinal se o valor não for muito acentuado. 20

16 Rede de Computadores 3.2 Modo de Operação Em qualquer tipo de comunicação, a transmissão e a recepção podem ou não existir simultaneamente, sendo classificadas em SIMPLEX, HALF-DUPLEX E FULL-DUPLEX Simplex A comunicação só é possível em uma única direção. Exemplo: 1. A ligação entre um computador e uma impressora. 2. Transmissão de sinais de rádio e televisão Half-Duplex A comunicação é possível em ambas as direções, porém não simultaneamente. Exemplo: Comunicação entre rádios amadores Full-Duplex A comunicação é possível em ambas as direções simultaneamente. 206

17 FUNDAMENTOS DE REDE DE DADOS E COMUNICAÇÃO Exemplo: Conversação telefônica entre duas pessoas. 3.3 Transmissões seriais e paralelas Os equipamentos utilizados na computação transmitem e recebem bits simultaneamente. A transmissão paralela tem como característica vários bits caminhando juntos através de fios independentes, sendo mais rápida, já que os bits são transmitidos de forma simultânea. Sua desvantagem está no custo, pois é cara a transmissão de bits simultâneos por longas distâncias, são exigidos cabos complexos que incluem vários condutores, o que o torna sensível às interferências eletromagnéticas. 1 A transmissão serial consiste no envio de bits, sendo que um por vez, pois com isso, é possível atingir facilmente distâncias maiores. Os cabos são mais simples e baratos, o que facilita a sua construção com blindagem eletromagnética e com isso a redução das interferências que são captadas. 207

18 Rede de Computadores 1 Antigamente, um dos problemas da transmissão serial era a lentidão, só que hoje, ela está extremamente rápida e não possui problemas de sincronismo e interferências, como os encontrados em transmissões paralelas. A transmissão serial já é tão eficiente que está substituindo os dispositivos que utilizam transmissão paralela, a exemplo dos dispositivos USB e FIREWIRE que são transmissões seriais de alta velocidade. 3.4 Ritmos de Transmissão Transmissão Assíncrona O termo assíncrono refere-se à irregularidade dos instantes de ocorrência da transmissão, ou seja, o tempo de transmissão decorrido de dois bits pode ser variado pelo equipamento de transmissão. Nesse tipo de transmissão, um bit especial é inserido no início e no fim da transmissão de um caractere e assim permite que o receptor entenda o que foi realmente transmitido. A principal desvantagem desse tipo de transmissão é a má utilização do canal, pois os caracteres são transmitidos irregularmente, além de um alto overhead (os bits de controle que são adicionados no início e no fim do caractere), o que ocasiona uma baixa eficiência na transmissão dos dados. 208

19 FUNDAMENTOS DE REDE DE DADOS E COMUNICAÇÃO Transmissão Síncrona Na transmissão síncrona, os bits de um caractere são enviados imediatamente após o anterior, não existem os bits de controle no início e no fim do caractere e nem irregularidades nos instantes de transmissão. A transmissão síncrona é estabelecida através de uma cadência fixa para a transmissão dos bits de todo um conjunto de caracteres, um bloco. Resumindo, o transmissor e o receptor comunicam-se, sincronizam suas ações, e preparam-se para receber a comunicação, já sabendo da taxa de transmissão e o tamanho dos dados ordenados e conhecidos. A comunicação síncrona é mais cara que a assíncrona, pois necessita de um relógio no hardware para permitir o seu sincronismo e é muito utilizada em redes com altas taxas de transmissão. 4 MEIOS FÍSICOS DE TRANSMISSÃO Os meios físicos de transmissão são compostos pelos cabos coaxiais, par trançado, fibra óptica, transmissão a rádio, transmissão via satélite e são divididos em duas categorias: os meios guiados e os meios não guiados. No meio guiado, o sinal percorre através de meios sólidos, como a fibra, o cabo coaxial e o par trançado. No meio não guiado, o sinal propaga-se na atmosfera, como é o caso das redes sem fio e transmissões via rádio e via satélite. 4.1 Cabo par trançado O meio de transmissão guiado mais utilizado pelas redes telefônicas é o par trançado, que está presente em quase 9% das ligações entre os aparelhos residenciais e as centrais telefônicas. Sua constituição é feita por dois fios de cobre isolados e enrolados em forma de espiral, com o intuito de reduzir as interferências dos pares semelhantes que estão próximos. Os 209

20 Rede de Computadores pares são conjugados dentro de um cabo, sendo que cada par é isolado por uma blindagem de proteção. O par de fio trançado UTP (Unshielded Twisted Pair) é bem utilizado em redes de computadores existentes em edifícios comerciais. Sua taxa de transmissão está na faixa de Mbps a 1 Gbps, o que pode variar dependendo da distância entre o transmissor e o receptor. A tecnologia UTP categoria consegue o alcance de taxas de transmissão de dados de 0 Mbps, na distância de algumas centenas de metros permitindo que o par trançado firme-se como a tecnologia dominante em LANs de alta velocidade O par trançado não é usado apenas comercialmente, em muitas residências ele é utilizado para o acesso à internet via modem, com uma taxa de acesso de até 6 Kbps, e com a utilização da tecnologia DSL (Linha digital de assinante), que permite o alcance de taxas de transmissões maiores que 6 Mbps com pares de fios trançados. 4.2 Cabo coaxial Outro meio de transmissão guiado é o cabo coaxial. Ele possui melhor blindagem se comparado com o cabo par trançado, podendo se estender por distâncias maiores e em velocidades mais altas. Sua constituição é formada por dois condutores de cobre concêntricos e não paralelos com um isolamento e blindagem especial, o que permite, com essa configuração, o alcance de altas taxas de transmissão de bits. 2

21 FUNDAMENTOS DE REDE DE DADOS E COMUNICAÇÃO Um fio de cobre na parte central é envolvido por um material isolante, que é protegido por uma malha sólida entrelaçada. O condutor externo é protegido por uma camada plástica protetora Existem dois tipos de cabos coaxiais comumente usados. O primeiro é o cabo de 0 ohms, que é utilizado em transmissões digitais, e o segundo é o cabo de 7 ohms que é utilizado com freqüência em transmissões analógicas de TV e internet a cabo. O cabo coaxial pode ser utilizado como um meio compartilhado guiado, onde vários sistemas finais podem ser conectados diretamente ao cabo, e todos eles recebem os sinais que são enviados por outros sistemas finais. 4.3 Cabo fibra óptica A fibra óptica é um meio de transmissão guiado que conduz pulsos de luz, cada pulso é representado por um bit. A fibra, além de suportar altas taxas de transmissão de bits, na casa das dezenas de gigabits por segundo, é imune a interferências eletromagnéticas, e possui uma baixa atenuação de sinal. Todas essas características tornaram a fibra o meio preferido para transmissões guiadas de longo alcance. O cabo de fibra óptica é semelhante ao cabo coaxial, exceto por não ter a malha metálica. 211

22 Rede de Computadores O centro da fibra é formado por um núcleo de vidro por onde se propaga a luz. Esse núcleo é revestido por um vidro com índice de refração inferior ao do núcleo, para manter toda a luz no núcleo. 4.4 Fibra óptica versus fio de cobre A fibra possui muitas vantagens, pois permite gerenciar larguras de bandas muito mais altas que o cobre. Os repetidores só são necessários a cada 0km de distância, bem diferente dos km exigidos pelos fios de cobre. Não é afetada por picos de voltagem, interferências eletromagnéticas ou queda no fornecimento de energia. As empresas telefônicas preferem a utilização da fibra por ela ser fina e leve. Por exemplo, mil pares trançados com 1km de comprimento pesam 9 toneladas, enquanto duas fibras com a mesma capacidade de transmissão pesam apenas 0kg. Na área de segurança, as fibras dificilmente são interceptadas, uma excelente alternativa contra possíveis escutas telefônicas. Mas a fibra não é composta apenas de vantagens. Como desvantagem em relação ao fio de cobre, a fibra possui uma tecnologia pouco familiar, o que requer um conhecimento específico e mão-de-obra qualificada, além de danificar facilmente, se forem encurvadas demais. 4. Transmissão via rádio Os canais de rádio carregam seus sinais dentro do espectro eletromagnético, um meio de transmissão atraente, pois não necessita de cabos físicos. Os canais de rádio são fáceis de gerar, podem percorrer longas distâncias e atravessar paredes e obstáculos. São considerados omnidirecionais, o que permite que viajem por todas as direções, e desse modo o transmissor e o receptor não precisam estar fisicamente alinhados. 212

23 FUNDAMENTOS DE REDE DE DADOS E COMUNICAÇÃO Os canais de rádio podem ser classificados em dois grupos, os de pequeno alcance, que funcionam em locais próximos abrangendo de dez a algumas centenas de metros, e os de longo alcance, que abrangem algumas centenas de quilômetros. 4.6 Transmissão via satélite Um satélite de comunicação permite a ligação de dois ou mais transmissores-receptores, que são denominados de estações terrestres. Eles recebem as transmissões em uma faixa de freqüência, geram novamente o sinal com o uso de repetidores e transmitem o sinal em uma outra faixa de freqüência. Existem dois tipos de satélite que são usados para a comunicação: os satélites geoestacionários e os satélites de baixa altitude. 213

24 Rede de Computadores Os satélites geoestacionários ficam permanentemente sobre o mesmo lugar da terra. Isso só é permitido, porque são colocados em órbita a 37mil quilômetros acima da superfície terrestre. Essa enorme distância pode causar atrasos de propagação. Mesmo assim, essa transmissão alcança velocidades de centenas de Mbps, e são freqüentemente usados em redes telefônicas e backbones da internet. Os satélites de baixa altitude são posicionados próximos da terra e não ficam permanentemente em um único lugar. Eles giram ao redor da terra e para promoverem a cobertura contínua em determinadas áreas é necessário colocar muitos satélites em órbita. 214