Redes de Computadores Conceitos sobre Redes de Computadores Fundamentos de Sistemas de Comunicação Módulo 1 Prof. Engº Ricardo Luís Rodrigues Peres O que é uma Rede de Computadores? É a infra-estrutura de hardware, software e telecomunicações usada para transferir informação entre duas ou mais entidades com capacidade computacional. A interconexão pode ser feita através de qualquer meio físico que possa transmitir informação: Cabeamento metálico trançado Fibras ópticas, através de emissores lasers Microondas, telefonia celular, wi-fi (RF), Links de satélite, etc Por que se estudar Redes? Praticamente todos os sistemas de TI apresentam algum tipo de facilidade de rede Rapidamente estão se tornando parte da sociedade (como aconteceu com telefones, TV e rádio) trabalho, entretenimento, comunidade, etc Estão em todos os lugares (no carro, escola, shoppings, lojas, etc) Profissionais estudam como elas são, o que podem fazer, como funcionam e suas limitações especialização Por que ligar em Redes? As redes de computadores foram pensadas a partir da década de 60, com o intuito de permitir que: serviços sejam compartilhados: documentos, programas, equipamentos e bancos de dados; haja comunicação entre os computadores, permitindo que profissionais, separados geograficamente, compartilhem documentos e opiniões, promovendo trabalhos em equipe, idéias inovadoras e novas estratégias de negócios. Por que ligar em Rede? Assim, as redes de computadores surgiram da necessidade de trocar informações e ter acesso a dados localizados fisicamente distantes de você. Por exemplo: Em um caixa eletrônico, você pode ter acesso aos dados de sua conta corrente que estão armazenados em um computador localizado a centenas ou milhares de quilômetros de distância. Na Internet acessamos dados armazenados nos locais mais remotos. Na maioria das vezes, o local onde os dados estão fisicamente armazenados não tem a menor importância. Por que ligar em Rede? Uso compartilhado de serviços de: impressão fax armazenamento de dados conexão com a Internet Podem ser centralizados nos servidores e distribuídos pelos usuários da rede, na forma que se fizer necessário Estes serviços são inviáveis de serem ativados em cada ponto da rede, de forma independente. 1
Por que ligar em Rede? Padronização Toda empresa deve padronizar os softwares de sistema ou de aplicação utilizados: Sistemas aplicativos (vendas, estoque, etc) editores de textos planilhas bancos de dados Sistemas operacionais Com esta padronização, os usuários da rede têm acesso aos mesmos serviços em toda a empresa. Por que ligar em Rede? Administração e Planejamento Criação de contas de usuários em um formato padronizado Agrupamento de usuários com direitos específicos Determinar recursos e serviços para grupos de usuários Usuários do departamento de Contabilidade da empresa podem imprimir seus relatórios em determinada impressora, de segunda a sexta, entre 8:00 e 18:00h. O monitoramento do uso de recursos de uma rede combinado a medições de desempenho permitem verificar a necessidade da compra de novos equipamentos e realocação de máquinas e softwares. Por que ligar em Rede? Segurança A segurança de uma rede pode ser tanto fortalecida quanto enfraquecida pela conexão dos equipamentos em rede. Com a atribuição de senhas aos usuários de uma rede é possível determinar o responsável por cada ação; Se um arquivo foi acessado e alterado por alguém, é possível rastrear e identificar o seu autor. A identificação dos usuários permite a definição de hierarquias e responsabilidades; É possível diferenciar direitos de acesso a funções ou recursos É possível definir um responsável por realizar cada tarefa Por que ligar em Rede? Segurança A montagem da rede facilita o acesso a serviços e recursos que antes se encontravam isolados; Algumas pessoas com acesso à rede, principalmente pela Internet - hackers - têm interesse em violar dados armazenados e manifestar-se através de atitudes não autorizadas; O problema de segurança requer, por parte dos administradores, atenção especial na criação de barreiras que permitam o funcionamento estável destes complexos sistemas; Impactos no uso das Redes Acesso à informação a qualquer hora Comunicação pessoal e em grupo (e-mail, chats, vídeosconferência, mensagens instantâneas) Criação de comunidades virtuais (salas de bate-papo, newsgroups, grupos com interesses em comum) Segue a linha de tecnologias que pretendem reduzir os problemas com tempo e distância (estradas de ferro, TV, automóveis, aviões, etc) facilidades para as pessoas Este fluxo de informação é normalmente livre de censura e controle Por exemplo: a Internet apresenta um espelho da própria sociedade (tudo de bom e tudo de ruim pode ser encontrado) As mudanças na Sociedade estão apenas começando (comércio, serviços, entretenimento, socialização) 2
Redes Cliente/Servidor São utilizadas tanto em redes pequenas quanto em grandes empresas, quando se requer compartilhar sistemas aplicativos e acessos remotos com segurança. Elementos dessa Rede: Servidor: É um computador configurado de tal modo que seja capaz de oferecer ou disponibilizar recursos para os outros computadores da rede. Cliente: É a estação de trabalho (um computador) que acessa os recursos oferecidos através da rede para o seu usuário. É o computador onde se trabalha. Recurso: Qualquer coisa que possa ser oferecida e utilizada pelos clientes da rede, como impressoras, arquivos, unidades de disco, acesso a Internet, etc. Redes Cliente/Servidor Uma rede do tipo cliente/servidor deve ser a escolha natural quando a segurança de acesso aos recursos e a performance da rede forem questões importantes. Como o servidor é dedicado tipicamente a uma só tarefa ou a tarefas compatíveis, ele consegue responder rapidamente aos pedidos vindos dos demais micros da rede, sem comprometer o desempenho. Redes Cliente/Servidor Neste tipo de rede, o planejamento dos recursos oferecidos e o controle dos direitos de acesso à rede são centralizados no administrador da rede, oferecendo assim melhor organização no uso dos recursos e maior segurança. Permite que sejam executados sistemas focados ao ambiente cliente/servidor, como um gerenciador de banco de dados ou serviços de acesso remoto via Internet, oferecendo acesso simultâneo e seguro aos diversos usuários. Aplicações ou Sistemas Cliente/Servidor Um tipo de aplicação cada vez mais usado nas redes e na Internet é a de sistema cliente/servidor. É um tipo de sistema aplicativo que integra um determinado servidor a vários usuários (clientes). O computador cliente poderá: - solicitar serviços ao servidor; - compartilhar tarefas de processamento com o servidor, - exibir os resultados das tarefas de processamento. Sistemas Cliente/Servidor Como exemplo, podemos citar o sistema de contas corrente usado nos caixas eletrônicos. O Servidores de Aplicação e de Banco de Dados instalados na sede do Banco, têm, entre outras, as funções de: Validar o acesso e o serviço requerido pelo cliente; Disponibilizar os dados e processar a transação solicitada; Atualizar os dados no Banco de Dados; Segurança (registrar quem usou, o que fez, de onde fez); O computador cliente é o caixa eletrônico e tem as funções de: Estabelecer uma interface amigável com o usuário, facilitando as consultas e a interação com o aplicativo; Validar os comandos a serem enviados ao servidor; Identificar o computador e o cliente perante o sistema; Enviar comandos e receber respostas, permitindo que sejam impressas ou efetivadas. Servidores de Rede Cliente/Servidor Servidor de Arquivos: Responsável pelo armazenamento de arquivos de dados como arquivos de texto e planilhas que necessitem ser compartilhados entre os usuários da rede. O programa necessário para ler o arquivo (o processador de textos, por exemplo) é instalado e executado na máquina do usuário (cliente) e não no servidor. No servidor não há o processamento de informações. Servidor de Impressão: Responsável por processar os pedidos de impressão gerados pelos clientes da rede e enviá-los para as impressoras disponíveis. Como diversos pedidos de impressão podem ser gerados ao mesmo tempo na rede, o servidor fica responsável por enviar os dados para a impressora correta e na ordem de chegada (ou em uma outra ordem, dependendo da configuração de prioridade). 3
Servidores de Rede Cliente/Servidor Servidor de Aplicação: é responsável por executar as aplicações dos sistemas cliente/servidor. Ao contrário do servidor de arquivos, que somente armazena arquivos de dados e não os processa, o servidor de aplicação executa programas e acessa arquivos de dados. Permite que vários clientes acessem e utilizem ao mesmo tempo uma única aplicação, cuidando para que os dados se mantenham atualizados. Quando um micro cliente faz uma consulta em um banco de dados cliente/servidor, essa consulta será processada no servidor de aplicação e não na estação cliente. Isto garante segurança de acesso e controle nas alterações que venham a ocorrer nos dados. Os servidores de Banco de Dados e os Servidores de Páginas Web são exemplos de Servidor de Aplicação Cliente/Servidor. Servidores de Rede Cliente/Servidor Servidor de Correio Eletrônico: Responsável pelo processamento, armazenamento e pela entrega de mensagens eletrônicas. Servidor de Comunicação: Usado na comunicação entre a sua rede e outras redes, como a Internet. É neste servidor que será conectado o acesso à Internet e instalado o ambiente de software necessário à navegação e ao controle de segurança de acesso. Por questão de segurança, é possível dispor-se de servidores redundantes, capazes de espelhar cada um dos servidores citados anteriormente (imagem exata do outro servidor). Trata-se de um servidor especial que estará associado a um servidor específico (do qual é espelho) e que possui os mesmos dados do outro servidor. No caso do servidor que está sendo espelhado apresentar defeito, o redundante assume imediatamente os serviços, substituindo o servidor defeituoso. Redes Ponto a Ponto Em redes mais simples, chamadas ponto-a-ponto, não há a obrigatoriedade do servidor, já que os micros podem atuar disponibilizando serviços a outros computadores e serem, ao mesmo tempo, clientes, usufruindo recursos oferecidos por outro computador. No Windows, por exemplo, isto é feito através da opção de compartilhamento de arquivos e impressoras. Redes Ponto a Ponto A vantagem deste tipo de rede está na facilidade de instalação e configuração, pois o próprio usuário indicará no S.O. quais os recursos que os outros poderão acessar em seu micro. As desvantagens são: falta de controle sobre arquivos e dados; falta de segurança de acesso; perda de performance nos micros com recursos compartilhados. Os principais sistemas operacionais já vêm com suporte à rede ponto-a-ponto: Windows 98/2000/XP/Vista/Win7, Linux, MAC-OS. Aspectos importantes no estudo das Redes Canal de Comunicação Comutação Topologia de Rede Interfaces de Rede Protocolos de Comunicação Aplicação das Redes Serviços oferecidos na Rede As Comunicações Que cenário determinou o desenvolvimento das Redes de Computadores? Como elas surgiram? 4
Cenário da comunicação de dados e da computação Cenário inicial: Computação Centralizada Terminal de vídeo Necessidade de Informação Meios de Comunicação precários Aumento no volume da dados a serem processados nas Empresas Processamento Centralizado ( CPD ) Exemplo de processamento centralizado Terminal de vídeo Terminal de vídeo mainframe Processamento e armazenamento de dados centralizado no computador central Terminais burros para entrada e saída de dados Soluções proprietárias pouco flexíveis Custos de implantação / manutenção elevados Processamento e armazenamento com elevado índice de segurança A participação dos PCs Cenário intermediário: Rede Distribuída Aplicações Stand-alone Como surgiu o PC? Aplicações Workgroup O que motivou a utilização dos mini e microcomputadores em ambiente de rede? A rede distribuída utiliza vários computadores menores para obter os mesmos resultados de processamento centralizado. Cenário atual: Rede Colaborativa Os computadores da rede, independentes de seu porte, compartilham todos os recursos de processamento. Riscos no uso de Redes de Computadores Vulnerabilidade da infra-estrutura de cabeamento e de rede elétrica Crescimento desordenado do parque de equipamentos e pontos de conexão Fragilidade nos métodos e nos recursos de segurança física e lógica 5
O que caracteriza um Sistema de Comunicação? Modelo Conceitual Simplificado Um conjunto que envolve: Informação - analógica ou digital (áudio, vídeo ou dados) Transmissor - condicionamento do sinal de saída Canal - caminho entre a entrada e saída com ruídos e atenuação Receptor - condicionamento do sinal de entrada Sinais digitais e analógicos O que é a Comunicação Digital? A informação pode ser codificada num conjunto de símbolos Em redes de comunicação de dados, os símbolos usados para codificar e transferir informação são 0 s e 1 s, assim como os computadores digitais Estas redes basicamente são capazes de transmitir 1 s e 0 s de forma transparente, sem se preocupar com o que eles significam Alguns Tipos de Informação Digital Dados (textos, e-mail, dados de aplicação) Voz Imagem Vídeo Todo o tipo de informação pode ser digitalizado, manipulado e enviado por redes e computadores digitais Aspectos da Transmissão da Informação O uso de sinais eletromagnéticos para carregarem a informação (dramaticamente estendem o alcance da comunicação) Meio de Transmissão (cabos, fibras óticas, ar livre, etc) Técnicas de Comunicação (codificações, interfaces de comunicação, protocolos) Eficiência na Transmissão (multiplexação, compressão) Largura de banda capacidade de transmissão de informação de um canal 6
Modos de Transmissão da Informação Simplex: neste modo, os dados estão fluindo em um único sentido de uma direção. Ex.: Sinais de uma estação de rádio AM, FM e de um canal de TV. Modos de Transmissão da Informação Full-Duplex: é caracterizado pelos dados fluindo em ambos os sentidos de propagação simultaneamente. Ex.: Telefonia. Half-Duplex: neste modo, os dados fluem em ambos os sentidos, porém não simultaneamente. Ex.: rádioamador e walkie-talkie. Modelo Básico de Comunicação de Dados Esquemas de Comunicação de Dados Técnicas de comunicação digital MODEM Modulador/Demodulador Realiza a transmissão de dados através de sinais analógicos ou em banda base Função do MODEM no computador: representar a informação digital na forma de sinais compatíveis com o espectro de freqüência suportado pelas linhas telefônicas, variando segundo a tecnologia adotada. Aspectos da Transmissão Assíncrona Na transmissão assíncrona, admite-se que a referência de tempo para transmissor e receptor não é única, mas apenas próxima. Por isso, é preciso garantir o sincronismo da transmissão a cada caracter enviado. A técnica de codificação de sinal normalmente utilizada nesse caso é a NRZ (no return to zero). Essa transmissão é caracterizada pelo envio de cada caracter (cuja quantidade de bits é conhecida), delimitando-o por bits especiais chamados bit de start e bit de stop. 7
Aspectos da Transmissão Síncrona Na transmissão síncrona, precisa-se garantir uma referência única de tempo para transmissor e receptor. Pra isso, existem duas formas possíveis: Fazer a transmissão em dois canais separados: um para dados e outro para o sinal de relógio. É preciso duplicar todo o sistema de comunicação e assegurar a transmissão com o mesmo retardo em ambos os canais. Isso aumenta o custo de transmissão. O outra forma é realizar a transmissão de dados e de sincronismo no mesmo canal, de modo que a recuperação do relógio seja permanente. Para isso, utiliza-se alguma técnica de codificação do sinal. Uma codificação muito utilizada é a Manchester. Problemas na comunicação digital Atenuação Perda da potência do sinal (energia) ao longo do percurso. Isto implica em limitação de distância e melhor desempenho do meio físico. Ruído Ruído interno: Ruído térmico Ruídos externos: sinais elétricos indesejáveis, provenientes de fontes externas. Isso ocorre em meios metálicos e requer melhor qualidade do material e o uso de uma codificação que minimize o efeito da interferência. É possível a utilização de blindagem. Comportamento do sinal transmitido Técnicas de comunicação digital Tipos de Modulação Modulação em Amplitude - AM ( Radio/CATV) Modulação em Freqüência - FM ( Radio/CATV ) Modulação de Pulso sinal digital em banda base - PAM - Pulse Amplitude Modulation (LAN-Gigabit Ethernet em cat6 ou cat5e) - PCM - Pulse Code Modulation (LAN-Ethernet/Fast) CODIFICAÇÃO PCM PCM - PULSE CODE MODULATION Sinais são transmitidos no formato digital, sem modulação por portadora, ou seja, em banda base (na faixa de freqüência do sinal original). proporciona altas taxas de transmissão de sinal Em Redes Ethernet e Fast Ethernet: Usa-se PCM MANCHESTER 8
Confiabilidade na Transmissão de dados A confiabilidade de cada um dos métodos é: 65% para o VRC 85% para o LRC 99,99995% para o CRC (Cyclic Redundancy Check) (adotado nas redes de computadores) Comutação por Circuitos Estabelece um circuito físico dedicado à conversação Necessita de pré-conexão antes de qualquer transmissão Comutação por Circuitos Comutação por Circuitos Uma mensagem de controle cria um caminho da origem para o destino É retornada uma confirmação do circuito estabelecido para a origem indicando que a transmissão pode prosseguir Se inicia a troca de dados Todo o caminho fica alocado para a troca de dados (usado ou não) Quando não houver mais troca de dados, o circuito é desfeito, liberando os recursos alocados. Comutação por Pacotes Comutação por Pacotes As mensagens da aplicação são sub-divididas em estruturas (pedaços de mensagem) de tamanho variável chamadas pacotes O pacote terá o tamanho adaptado ao protocolo ou tipo de serviço que estiver gerando a mensagem Cada pacote é enviado de forma independente Não há definição de um circuito físico dedicado Definem-se rotas entre os dois pontos a se comunicarem, ou seja, entre os computadores de origem e destino As rotas são analisadas pelos equipamentos de comutação que enviam os pacotes na direção certa Em caso de falha na rede, pode-se utilizar rotas alternativas, de forma dinâmica, de modo a garantir o envio dos pacotes ao destino 9
Comutação por Pacotes Rede baseada em Datagramas IP Circuitos Virtuais São uma emulação de um circuito real (permanente ou não) sobre uma rede de pacotes Rede baseada em Circuitos Virtuais Comutação por Células As mensagens da aplicação são sub-divididas em estruturas chamadas células, de forma semelhante aos pacotes, só que as células têm tamanho fixo. Cada célula é enviada de forma independente. Não há definição de um circuito físico dedicado, mas podem ser estabelecidos circuitos virtuais, como na comutação de pacotes. Rotas são estabelecidas pelos equipamentos de comutação e, em caso de falha na rede, pode-se utilizar rotas alternativas, de forma dinâmica, de modo a garantir o envio das células ao destino O ATM é a técnica de comutação de células que foi desenvolvida para suprir as necessidades das redes de alta velocidade. A célula do ATM tem 53 bytes. Endereços de Rede Pontos finais e intermediários nas redes necessitam ser especificados Tipos de endereços Unicast para um único destino Broadcast para todos os destinos Multicast para alguns destinos Redes de Computadores Conceitos sobre Redes de Computadores Fundamentos de sistemas de Comunicação Módulo 1 Prof. Engº Ricardo Luís Rodrigues Peres 10