Redes de Computadores Prof. Macêdo Firmino Introdução a Redes de Computadores Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 1 / 36
O que é Redes de Computadores? É a infra-estrutura de hardware e software usada para transferir informação entre dois ou mais entidades. Estas entidades podem ser: computadores, impressoras, câmeras, telefones celulares, televisões ou qualquer dispositivo que tenha a capacidade de processamento de dados; Esta infra-estrutura proporciona a transmissão de dados, voz, imagem e vídeo. A interconexão pode ser feita através de qualquer meio físico que possa transmitir informação. Por exemplo: Cabeamento de cobre; Fibras ótica; Microondas; Links de satélite, etc. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 2 / 36
Por que se Usar Redes de Computadores? Meio de comunicação a distância; Compartilhamento de recursos (arquivos, vídeo, voz, etc.) com alta confiabilidade; Economia (baixo custo); Entretenimento; Praticamente todos os sistemas de TI (Tecnologia da Informação) apresentam algum tipo de facilidade de rede; Rapidamente está se tornando parte da sociedade moderna (como aconteceu com telefones, TV e rádio); Gestão Organizacional: a geração e a transferência de informação é ponto crítico dos negócios de hoje. As redes viabilizam esta transferência; Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 3 / 36
Componentes Um sistema de comunicação é composto de cinco elementos: Mensagem: é a informação a ser transmitida; Transmissor: é o dispositivo que envia a mensagem; Receptor: é o dispositivo que recebe a mensagem; Meio: é o caminho físico por onde viaja a mensagem; Protocolo: é um conjunto de regras que governa a comunicação de dados. Protocolo Passo 1: Passo 2: Passo 3... Protocolo Passo 1: Passo 2: Passo 3... Mensagem Meio Transmissor Receptor Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 4 / 36
Eficácia Introdução a Rede de Computadores A eficácia de um sistema de comunicação de dados depende das seguintes características: Entrega: os dados devem ser entregues ao destinatário correto. Precisão: os dados devem ser entregues de fora precisa. Dados que foram alterados na transmissão devem ser considerados inúteis. Sincronização: os dados devem ser entregues no momento certo. Deve-se evitar os atrasos. Jitter: os dados não devem sofrer muita variação no tempo de chegada, principalmente para os dados de áudio e vídeo. Em outras palavras, os atrasos não devem ser regulares, por exemplo, sempre atrasar 30 s. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 5 / 36
Representação dos dados (Texto) Nos sistemas computacionais modernos, e consequentemente em redes de comunicação de dados, as informações (texto, vídeo, áudio e imagem) devem ser representadas por um conjuntos de 0 s e 1 s; Por exemplo, para representar caracteres (texto) temos o código ASCII de oito bits, que permitiu representar 256 símbolos; Tabela: Exemplos de caracteres na codificação ASCII Binário Caracter ASCII 0010 1011 + 0011 0001 1 0100 0001 A 0110 0001 a 0011 1101 = 0111 1101 } Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 6 / 36
Representação dos dados (Texto) Com a disseminação dos computadores surgiu a necessidade de representar caracteres diferentes daqueles apresentados no ASCII, por exemplo, o alfabeto japonês. Para isso, foi criado o Unicode; O Unicode foi criado por um consórcio de empresas (como IBM, Apple, Microsoft, Nokia, HP e outras). Esse código utiliza 16 bits (2 bytes) e permite a representação de 65.536 símbolos; Desta forma, o Unicode representa uma grande quantidade de símbolos diferentes, entre eles os alfabetos árabes, grego, hebraico, japonês e latino, formas geométricas, padrões Braile, setas e símbolos matemáticos, etc. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 7 / 36
Representação dos dados (Imagens) A imagem abaixo pode ser definida como tendo pontos pretos e pontos brancos na sua formação. Para que esta imagem possa ser trabalhada usando um computador, é necessário adequá-la ao modelo de numeração binária. Para isso adotaremos o padrão: Bit 0: quadro branco; Bit 1: quadro preto. Desta forma, podemos representa-la por bits 0s e 1s. 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 8 / 36
Representação dos dados (Imagens) Observe que na tabela temos 6 linhas e 6 colunas. Portanto para representarmos esta imagem gastamos 36 bits (aproximadamente 4 bytes); Quanto mais pixels (bits) possui a imagem, ou seja quanto maior a resolução, melhor a qualidade da imagem. No entanto, é necessário mais memória para armazená-la. Para representamos imagens coloridas, deve-se levar em consideração que a imagem continuará sendo representada por pontos (pixels), mas eles assumirão cores diferentes; Para representarmos as cores que irão aparecer, monta-se uma tabela, na qual uma combinação de bits representará uma determinada cor. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 9 / 36
Representação dos dados (Imagens) 00 01 10 11 00 01 00 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 10 00 00 00 00 00 00 00 00 00 11 00 00 00 11 00 00 11 11 11 00 00 Neste exemplo utilizamos 2 bits resultando em 4 cores; O tamanho da figura, com o acréscimo das cores, aumentou de 36 bits para 72 bits. Quanto maior esta combinação de bits (chamado de profundidade de cor) maior o número de cores que podem ser representadas, aumentando a fidelidade da imagem. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 10 / 36
Representação dos dados (Imagens) Existem diversos formatos de codificação de imagens, vejamos alguns: BMP (Windows Bitmap): padrão muito parecido com o exemplo anterior. O tamanho da imagem é diretamente proporcional ao seu tamanho (pontos ou pixels) e a profundidade de cor. Geralmente é utilizado neste padrão 24 bits para cores (16.777.216 cores); GIF (Graphic Interchange Format): utiliza algoritmos para comprimir os dados, como isso ele consegui apresentar a mesma imagem, mas com um tamanho menor (em bytes). A imagem comprimida apresenta qualidade semelhante a mesma sem compressão. No entanto, este formato possui no máximo, 256 cores, impedindo o seu uso prático na compactação de fotografias. Este formato é utilizado em imagens fixas e em animações; Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 11 / 36
Representação dos dados (Imagens) JPEG ou JPG (Joint Photographic Experts Group): formato que utiliza um algoritmo de compressão de dados que pode gerar imagens menores, mas, ao mesmo tempo, gera alguma perda na qualidade. Em compensação, este formato permite apresentar de até 16 milhões de cores por imagem. Geralmente se obtém uma compressão com pouco perceptível perda na qualidade da imagem. O JPG é o formato de imagem mais comum usado por câmeras digitais e outros dispositivos de captura de imagem. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 12 / 36
Representação dos dados (Vídeos) Quando várias imagens são apresentadas sucessivamente em uma determinada velocidade, com pequenas variações de movimento entre uma e outra, os nossos olhos são enganados e entendem que a imagem está em movimento; No cinema são 24 imagens (ou quadros) por segundo. No computador são 30 quadros por segundo; Vejamos a quantidade de memória necessária se utilizarmos uma resolução de 800 x 600, colorida, e um padrão de imagem estilo BMP; Cada quadro (imagem): 800 x 600 = 480.000 bits; Considerando 16 milhões de cores possíveis: 24 bits; Tamanho de cada imagem: 480.000 x 24 = 11.520.000 1,44 MBytes; Sendo 30 imagens por segundo: 1,44 x 30 43,2 MBytes/s; Considerando um filme de 2 horas (7.200 s): 7.200 x 43,2 311 GBytes; Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 13 / 36
Representação dos dados (Vídeos) Como podemos observar se não for utilizado técnicas de compressão de dados é difícil encontrar meios de armazenar esse tamanho. Desta forma, criou-se o conceito de codec; Um codec é um programa que codifica os dados referentes a uma imagem em movimento para que ela seja transmitida ou armazenada e decodifica para que a imagem em movimento possa ser visualuzada; Neste processo de codificação, o tamanho em bytes é comprimido de modo que os dispositivos possam armazenar e manipular estas imagens. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 14 / 36
Representação dos dados (Vídeos) Vejamos alguns exemplos de codecs: MPEG (Moving Picture Experts Group): utiliza técnicas de armazenar somente os quadros principais da imagem em movimento e simulam como seriam os quadros intermediários baseado nas alterações. Este padrão é subdividido em: MPEG-1: utilizado em CDs de vídeo e SVCD; MPEG-2: utilizado na televisão digital por cabo, televisão digital por satélite e DVD; MPEG-4: utilizado em discos Bluray. AVI (Audio Video Interleave): padrão definido pela Microsoft. Este padrão define os dados de um quadro e a diferença entre ele e o quadro que vêm em seguida. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 15 / 36
Fluxo de Dados Uma comunicação entre dois dispositivos pode ser: Simplex: a comunicação é unidirecional. Somente um dos dispositivos é capaz de transmitir. Half-Duplex: cada estação pode transmitir e receber, mas nunca ao mesmo tempo. Full- Duplex: ambas estações podem transmitir e receber dados simultaneamente. Direção dos dados Simplex Transmissor Receptor Direção dos dados em T1 Direção dos dados em T2 Half-Duplex Transmissor/Receptor Transmissor/Receptor Direção dos dados num tempo qualquer Full-Duplex Transmissor/Receptor Transmissor/Receptor Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 16 / 36
Tipo de Conexão A duas formas possíveis de conexão: Ponto a Ponto: é uma enlace dedicado entre dois dispositivos. Toda a capacidade do canal é reservada para a transmissão entre os dois; Multiponto: é aquela na qual mais de dois dispositivos compartilham o mesmo enlace. A capacidade do canal é compartilhada. Ponto a Ponto Multiponto Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 17 / 36
Critérios de Comparação Uma rede deve ser capaz atender a certos critérios, os mais importantes são: Desempenho: pode ser medida de diferentes formas, por exemplo, tempo de trânsito (tempo que a mensagem leve para percorrer a distância entre um dispositivo e outro) e o tempo de resposta (tempo entre uma solicitação e uma resposta). O desempenho depende de uma série de fatores, por exemplo, o número de usuários, tipos de meios de transmissão, as capacidades do hardware conectado e a eficiência da rede; Confiabilidade: é medida pela freqüência de falhas e o tempo de reconfiguração de um enlace após uma falha; Segurança: tem a finalidade de assegurar a proteção das informações que trafegam na rede do acesso não autorizado. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 18 / 36
Classificação das redes Rede Local (LAN): é administrada privativamente e os enlaces entre dispositivos estão localizados dentro de uma sala, escritório, edifício ou campus. Atualmente, o tamanho de uma LAN é limitada a alguns quilômetros. Redes Metropolitanas (MAN): normalmente ela é projetada para abrangir uma cidade. Pode ser constituída de uma única rede ou pode conectar várias LANs. Um exemplo são redes de provedores de Internet em uma cidade; Redes Geograficamente Distribuídas (WAN): abrange grandes distâncias geográficas podendo compreender um país, um continente ou até mesmo todo o mundo. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 19 / 36
Topologias Físicas Introdução a Rede de Computadores É a maneira pela qual uma rede é organizada fisicamente. Dois ou mais dispositivos se conectam a um canal, formando uma topologia. A topologia é uma representação geométrica da relação de todos os enlaces (canais) e dos dispositivos; Existem quatro topologias básicas: Barramento; Estrela; Anel; Malha. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 20 / 36
Topologia - Barramento É uma topologia multiponto onde todos os componentes da rede são conectados a um único cabo, chamado de backbone; Esta topologia foi uma das primeiras topologias adotadas no projeto das primeiras redes locais; Vantanges: Fácil de instalar; Utiliza uma quantidade menor de cabos quando comparada a outras topologias. Desvantagens: Limitada pela distância e pelo número de equipamentos; Se o cabo for danificado todos os clientes perdem a conexão; Terminador Transceptores Transceptores Terminador Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 21 / 36
Topologia - Estrela Todos os componentes são conectados dedicadamente (exclusivo, ponto a ponto) a um dispositivo controlador no centro da estrutura. Este concentrador é geralmente um switch ou hub; Os dispositivos não são ligados diretamente entre si. Se um dispositivo desejar enviar dados a outro, primeiramente envia os dados para o concentrador que, por sua vez, replica os dados para o dispositivo de destino; Esta topologia é usada em redes locais (LANs). Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 22 / 36
Topologia - Estrela Vantanges: Fácil de instalar e reconfigurar; Robustez da topologia: se um enlace falhar apenas ele é afetado, todos os demais permanecerão ativos. Desta forma, facilita a identificação das falhas; Desvantanges: Dependência de toda a topologia em um único ponto. Se ele sair de operação toda a rede pára. Necessita de uma quantidade maior de cabos quando comparado as topologias barramento e anel. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 23 / 36
Topologia - Anel Cada dispositivo possui uma conexão ponto a ponto (dedicada) somente com os dois dispositivos mais próximos dele (conectados de cada lado); Um sinal é transmitido ao longo do anel numa única direção, de um dispositivo a outro, até alcançar o destino. Quando um dispositivo do anel recebe um sinal endereçado a outro dispositivo, ele regenera o sinal de dados e o transmite adiante de forma unidirecional; Utilizado em fibras ópticas e cabo coaxial; Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 24 / 36
Topologia - Anel Introdução a Rede de Computadores Vantanges: Fácil de instalar e reconfigurar. Pois, cada dispositivo é ligado apenas aos seus vizinhos imediatos; Desvantanges: Com um anel simples, uma queda do enlace pode desabilitar toda a rede. Essa fragilidade pode ser resolvida utilizando um anel duplo. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 25 / 36
Topologia - Malha Introdução a Rede de Computadores Nesta topologia cada dispositivos possui um enlace dedicado com cada um dos demais dispositivos da rede; Vantanges: É a topologia mais robustas com relação a falhas, se um enlace se torna inutilizável, ele não afeta o sistema como um todo; Facilitam na identificação de falhas; O tráfego pode ser direcionado de forma a evitar links com problemas; Segurança da informação: a informação passa do transmissor direto para o receptor; Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 26 / 36
Topologia - Malha Introdução a Rede de Computadores Desvantanges: Custo elevado de instalação devido a grande quantidade de cabeameto e portas de comunicação: cada dispositivo precisa ter (n 1) portas de comunicação a serem conectadas às demais (n 1) estações. Além disso, para ligar todos os dispositivos precisamos de n(n 1) 2 enlaces; Complexidade da instalação e configuração. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 27 / 36
Internet Hoje é raro vermos uma LAN, MAN ou WAN isoladas; elas geralmente estão conectadas entre si; A Internet é formada por mais de centenas de milhares de redes interconectadas. Milhões de usuários, diversas organizações, órgãos do governo, escolas, institutos de pesquisa, empresas e bibliotecas em mais de 100 países usam a Internet. Entretanto, esse extraordinário sistema de comunicação passou a existir apenas em 1969. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 28 / 36
Internet Introdução a Rede de Computadores Em meados da década de 60, os mainframes em organizações de pesquisa eram dispositivos isolados. Computadores de diferentes fabricantes eram incapazes de se comunicar entre si; A agência de pesquisa (ARPA) do Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DoD) estava interessada em descobrir uma maneira de conectar computadores, de forma que os pesquisadores pudessem compartilhar suas descobertas, reduzindo os custos e eliminando duplicação de esforços; Em 1967 surgiu a idéia da Arpanet, uma pequena rede de computadores conectados. A idéia era que cada computador (não necessariamente do mesmo fabricante) estaria conectado a um hardware especializado chamado de processador de mensagens de interface (IMP). Os IMPs estariam conectados entre si e com os computadores; Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 29 / 36
Internet Introdução a Rede de Computadores Por volta de 1969, quatro universidades americanas formaram a Arpanet através dos IMPs. As universidades foram Univeridade de Los Angeles, Santa Bárbara, Stanford e Utah. Um software, chamado de Protocolo de Controle de Rede (NCP) fornecia a comunicação entre os computadores; Em 1972, Vint Cerf e Bob Kahn desenvolveu um Protocolo de Controle de Transmissão (TCP) necessários para conseguir a entrega de uma mensagem de um ponto a outro. Este protocolo incluia conceitos de encapsulamento, endereçamento e as funções de um gateway. Logo depois, autoridades decidiram dividir o TCP em dois protocolos: o TCP e o IP. O IP faria o roteamento das mensagens, ao passo que o TCP seria responsável por funções por segmentação, remontagem e detecção de erros. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 30 / 36
Internet - Gráfico de Uso nos Últimos 15 anos Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 31 / 36
Internet Introdução a Rede de Computadores Na atualidade, a maioria dos usuários que deseja conexão com a Internet utiliza os serviço de um Provedor de Acesso à Internet (ISPs - Internet Service Providers) da sua cidade; ISP local... ISP local ISP local... ISP local ISP regional... ISP regional ISP nacional ISP...... nacional ISP nacional ISP Internacional Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 32 / 36
Internet Os provedores locais de acesso fornecem serviços diretamente a seus usuários finais. Os ISPs locais podem estar conectados a ISPs regionais ou diretamente a ISPs nacionais. Os ISPs regionais estão conectados aos ISPs nacionais. Os nacionais estão conectados aos ISPs internacionais. Os ISPs internacionais conectam países e continentes entre si. São exemplos de ISPs nacionais: Embratel, Rede Nacional de Pesquisa (RNP), Oi/Brasil Telecom, AT&T, NTT, Terra, Mundivox do Brasil, Telefonica e Intelig. São exemplos de ISPs Internacionais: America Online, Asia Online, Compuserve Global One, GRIC e IFX Networks. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 33 / 36
Padrões Os padrões são essenciais para a interoperabilidade de equipamentos e processos de diferentes fabricantes nacional e internacional e de desenvolvedores de programas; Os padrões fornecem diretrizes aos fabricantes, fornecedores, órgãos do governo, programadores e outros provedores de serviços; Os padrões são desenvolvidos por meio da cooperação de: Comitês de criação de padrões: ISO, ITU-T, IEEE e Ansi; Fóruns; Órgãos Reguladores: ANATEL; Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 34 / 36
Protocolos Um protocolo é um conjunto de regras que governa a comunicação de dados. Os protocolos definem o que é comunicado, de que forma é comunicado e quando será comunicado. Os elementos chaves de um protocolo são: Semântica: revela qual o significado de cada conjunto de bits, ou seja, como os sinal será interpretado e que ação será tomada baseada nessa interpretação; Temporização: define quando os dados devem ser enviados e quão rápido eles podem enviá-los; Sintaxe: define o formato dos dados e à ordem segundo o qual os dados são apresentados; Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 35 / 36
Questões 1 O que é uma rede de computadores? Que tipos de dispositivos podem fazer parte de uma rede? 2 Defina o conceito de transmissor, receptor, canal de comunicação, mensagem e protocolo; 3 Qual a diferença entre redes ponto a ponto e multiponto? 4 Quais as diferenças entre as redes LAN, MAN e WAN? apresente um exemplo para cada tipo de rede. 5 Quais são as topologias básicas? descreve resumidamente o seu funcionamento, suas vantagens e desvantagens. 6 O que é Internet? e o que é provedor de acesso? Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Março de 2012 36 / 36