Redes de Computadores Interconexão Gustavo Reis gustavo.reis@ifsudestemg.edu.br
Redes locais (LANs) Redes privadas contidas em um único edifício ou campus universitário com até alguns quilômetros de extensão. São amplamente usadas para conectar computadores pessoais e estações de trabalho em escritórios e instalação industriais de empresas, permitindo o compartilhamento de recursos (ex. Impressoras, unidade de leitora ótica). A tecnologia de transmissão das LANs quase sempre consiste em um cabo, ao qual todas as máquinas estão conectadas, como acontece com as linhas telefônicas. As LANs tradicionais funcionam em uma velocidade de 10Mbps a 100Mbps, possuindo baixo retardo (microssegundos ou nanossegundos) e cometem pouquíssimos erros. As LANs mais modernas operam em até 10Gbps.
Redes locais (LANs) As LANs admitem diversas topologias: Barramento (cabo linear) em qualquer instante no máximo uma máquina desempenha a função de mestre e pode realizar uma transmissão. Nesse momento, as outras máquinas serão impedidas de enviar qualquer tipo de mensagem (pacote). Mecanismo de transmissão: em uma rede local (Ethernet) os computadores podem transmitir sempre que desejam; se duas ou mais informações colidirem, cada computador aguardará um tempo aleatório e fará uma nova tentativa mais tarde.
Redes locais (LANs) As LANs admitem diversas topologias: Anel cada bit se propaga de modo independente, sem esperar pelo restante da informação (pacote) ao qual pertence. Assim como ocorre em todos os outros sistemas de difusão, existe a necessidade de se definir alguma regra para arbitrar os acessos simultâneos ao anel. Por exemplo o uso de token (ficha) para permitir a transmissão. Rede Token Ring.
Redes locais (LANs) As LANs admitem diversas topologias: Estrela cada dispositivo comunica-se dedicadamente a um computador ou concentrador no centro da estrutura. Assim, os dispositivos não são conectados diretamente uns aos outros. O concentrador age como um elemento intermediário no processo de comunicação entre dois dispositivos: se um dispositivo quer enviar dados a outro, primeiramente envia os dados para o concentrador que, por sua vez, replica os dados para o dispositivo de destino.
Redes metropolitanas (MANs) Projetada para se estender por toda uma cidade. Pode ser constituída por uma rede, tal como uma rede de TV a cabo, ou pode conectar muitas LANs entre si, formando uma rede maior, de tal maneira que os recursos possam ser compartilhados de LAN para LAN ou de dispositivo para dispositivo. Por exemplo, uma empresa pode utilizar uma MAN para conectar as LANs de todos os escritórios distribuídos numa cidade.
Redes Geograficamente Distribuídas (WANs) Proporciona a transmissão de voz, dados, imagem e vídeos a grandes distâncias geográficas podendo compreender um país, um continente ou até mesmo o mundo.
Cabeamento
Os cabos são usados como meio de comunicação há mais de 150 anos. A primeira implantação em larga escala de comunicações via cabo, as redes de telégrafo do século XIX, foram usadas por companhias de trem para despachar e gerenciar tráfegos. Conseguir enviar cabogramas começou como um luxo. Não muito depois, no entanto, o telégrafo estava sendo usado em larga escala.
Variedades e tipos de cabos conhecidos: A maior parte dos meios cabeados usam três tipos de cabos: par trançado, coaxial e fibra ótica. As redes de voz e dados usam diferentes tipos de cabos dependendo do tipo e da quantidade de tráfego que será transportado pelos cabos. Os padrões de sinais e protocolos também são importantes para determinar o tipo de cabo a ser usado. Todos os cabos variam muito em características como tamanho, capacidade e custo. Em relação ao custo, quanto mais difícil é a instalação do cabeamento de uma rede, mais cara é a instalação.
Cabo Par Trançado: O tipo mais usado em cabeamento de rede. Nas décadas de 70 e 80, o cabeamento com cabo par trançado era usado para comunicação de voz. Nos anos 80, as redes de dados também começaram a usar o cabeamento com cabo par trançado, pois o mesmo oferecia uma base simples, barata e modular para redes de área local. As múltiplas vias em cabos permitem comunicação duplex (conversação telefônica), caminhos separados para sinalização e inicialização e comunicação banda larga. O trançado dos fios em um cabo par trançado controla a degradação do sinal causada pela interferência eletromagnética (EMI) e a interferência de radiofrequência (RFI). A quantidade de voltas por unidade de comprimento no trançado de cada par de fios controla problemas como interferência e a diafonia (cross-talk) entre os pares do cabo.
Par Trançado não Blindado (UTP): É o mais comum e disponível para cabeamentos de redes nos dias de hoje. Os sistemas de telefonia corporativos, redes locais (LANs) e grandes redes corporativas (WANs Wide Area Networks), e mais recentemente redes domésticas com acesso a internet de alta velocidade, usam UTP. O cabo UTP é composto por oito fios de cobre agrupados em quatro pares, com cada fio envolvido em seu próprio isolamento. Taxa de transmissão: 10Mbps (Cat3), 100Mbps (Cat5 Fast Ethernet), 1000Mbps (Cat6 Gigabit Ethernet). Tamanho máximo do cabo: 100m.
Par Trançado Blindado (STP): O cabo par trançado blindade (STP) é de certa forma uma melhoria sobre o UTP. Ele combina as técnicas de cancelamento e trançado de fio do UTP com uma blindagem adicional. Cada um dos quatro pares de fios é envolvido em uma folha metálica e o conjunto de quatro pares é envolvido em outra folha metálica maior. As desvantagens em usar o STP em vez do UTP são: custo elevado, maleabilidade reduzida e a necessidade de aterramento, o que pode tornar a instalação mais difícil.
Cabo STP
Padrão climpagem Cat 6
Fibra Ótica: O cabo de fibra ótica é composto por três componentes, sendo que a principal parte do cabo é chamado de núcleo. O núcleo geralmente é feito de vidro de altíssima qualidade e é cercado concentricamente por outro tubo de vidro chamado de revestimento, que é responsável por refletir a luz de volta ao núcleo enquanto a mesma viaja através do cabo. O diâmetro do núcleo de um cabo de fibra ótica é de aproximadamente o fio de cabelo humano, ou até menor para alguns tipos desses cabos. É relativamente frágil, então é necessário que haja uma proteção para o mesmo. Em volta do núcleo e do revestimento existe uma capa protetora, que adiciona resistência ao núcleo e ao revestimento.
Fibra Ótica: Capa Protetora Revestimento Núcleo Vista do corte de um cabo de fibra ótica
Fibra Ótica: O lançamento de grandes comprimentos de cabos de fibra submete o núcleo e o revestimento a condições que podem causar danos aos mesmos. Em alguns casos, a camada protetora é revestida com uma camada de Kevlar para tornar o cabo mais resistente durante o seu lançamento. O maior problema com os cabos de fibra é que o vidro usado deve ser de altíssima qualidade para minimizar a distorção.
Fibra Ótica: Refração e Reflexão: os princípios por trás do funcionamento dos cabos de fibra ótica são reflexão e refração. O cabo de fibra ótica usa esses princípios para transmitir dados. Ondas de luz são guiadas através do núcleo do cabo sendo refletidas pelo cabo. A diferença no índice de refração entre o núcleo e o revestimento determina o quanto um cabo pode refletir a luz. O controle do ângulo em que a luz é refletida no núcleo torna possível regular a eficiência em que os pulsos de luz chegarão à outra ponta do cabo.
Fibra Ótica: Transmissores: os transmissores são predominantemente LEDs ou diodos laser (Lds). O transmissor opera como um interruptor, ligando e desligando de acordo com os zeros e uns binários que a maioria dos equipamentos de dados usa para se comunicar. O transmissor é responsável por converter sinais elétricos em uma onda de luz, mas em alguns casos age apenas como um repetidor para amplificar e repassar um sinal de luz recebido. Levando em consideração o tamanho do núcleo do cabo de fibra (podendo chegar a 8 micra, sendo que o fio de cabelo humano possui um diâmetro de 50 micra), a importância do ângulo exato em que a luz deve trafegar pelo cabo se torna crucial. É por isso que o transmissor deve estar alinhado exatamente com o núcleo do cabo de fibra para garantir eficiência máxima. Transmissor também deve ser potente o suficiente para transmitir a onda de luz aos receptor através de longas distâncias. Em sistemas de fibra de longa distância, os transmissores laser devem ser usados, pois os mesmos são mais potentes do que os LEDs.
Fibra Ótica: Receptores: desempenham duas funções, receber as ondas de luz do transmissor e então convertê-las em sinais elétricos. O receptor coleta o sinal de luz do transmissor através de um fotodiodo. Quando a luz atinge o fotodiodo para indicar a presença de um sinal, o circuito no receptor converte essa luz em um sinal elétrico para ser processado por outros dispositivos de dados na rede. Geralmente se encontra um transmissor e um receptor em cada ponta de um cabo de fibra ótica para que comunicações full duplex possam ocorrer. No mínimo dois filamentos de cabo de fibra ótica são usados para uma comunicação full duplex, apesar de que, em alguns casos, um único cabo de fibra pode ser usado para transmitir ou receber dados.
Dispositivos Físicos
Hubs: Hub de backbone interconecta segmentos de LAN Estende a distância máxima entre os nós Mas domínios de colisão individuais tornam-se um único e grande domínio de colisão Não pode interconectar 10BaseT e 100BaseT
Switch: Dispositivo de camada de enlace Armazena e encaminha quadros Ethernet Examina o cabeçalho do quadro e seletivamente encaminha o quadro baseado no endereço MAC de destino Quando um quadro está para ser encaminhado no segmento, usa CSMA/CD para acessar o segmento Transparente Hospedeiros são inconscientes da presença dos switches Plug-and-play, self-learning (auto-aprendizado) Switches não precisam ser configurados
Como determinar para qual segmento da LAN encaminhar o quadro? Parece um problema de roteamento...
Um switch possui uma tabela de switch Entrada na tabela do switch: (endereço MAC, interface, marca de tempo) Entradas expiradas na tabela são descartadas (TTL pode ser 60 min) Switch aprende quais hospedeiros podem ser alcançados através de suas interfaces Quando recebe um quadro, o switch aprende a localização do transmissor: segmento da LAN que chega Registra o par transmissor/localização na tabela
Quando um switch recebe um quadro: indexa a tabela do switch usando end. MAC de destino if entrada for encontrada para o destino then{ if dest. no segmento deste quadro chegou then descarta o quadro } else encaminha o quadro na interface indicada else flood Encaminha para todas as interfaces, exceto para a que o quadro chegou
Suponha que C envia um quadro para D A 1 2 3 switch hub hub hub endereço interface I A B E G 1 1 2 3 B C D E F G H Switch recebe o quadro de C Anota na tabela que C está na interface 1 Como D não está na tabela, o switch encaminha o quadro para as interfaces 2 e 3 Quadro recebido por D
Suponha que D responde com um quadro para C. A switch hub hub hub endereço interface I A B E G C 1 1 2 3 1 B C D E F G H Switch recebe quadro de D Anota na tabela que D está na interface 2 Como C está na tabela, o switch encaminha o quadro apenas para a interface 1 Quadro recebido por C
A instalação do switch quebra as sub-redes em segmentos de LAN Switch filtra pacotes: Alguns quadros do mesmo segmento de LAN não são usualmente encaminhados para outros segmento de LAN Segmentos se tornam separados em domínios de colisão switch domínio de colisão hub hub hub domínio de colisão domínio de colisão
Switch com muitas interfaces Hospedeiros possuem conexão direta ao switch Sem colisões; full duplex Switching: A-para-A e B-para-B, simultaneamente, sem colisões
Rede Corporativa
Switches vs. Roteradores Ambos são dispositivos store-and-forward Roteadores: dispositivos de camada de rede (examinam cabeçalhos da camada de rede) Switches são dispositivos da camada de enlace Roteadores mantêm tabelas de roteamento, implementam algoritmos de roteamento Switches mantêm tabelas de switch, implementam filtragem, algoritmos de aprendizagem