TECNOLOGIA GRATUÍTA: ARQUITETURAS DE REDE TOPOLOGIAS Ulisses Thadeu Vieira Guedes 2012-1/10 -
Conteúdo TOPOLOGIAS DE REDE...2 TOPOLOGIA PONTO-A-PONTO...2 TOPOLOGIA EM BARRAMENTO...3 TOPOLOGIA EM ANEL...4 TOPOLOGIA ESTRELA...6 APLICAÇÃO DAS TOPOLOGIAS...9 AS TOPOLOGIAS LÓGICAS...10 TOPOLOGIAS DE REDE Define-se topologia de rede física como sendo a aparência assumida pelo meio físico ao interligar equipamentos de rede ou sistemas em rede. Define-se topologia de rede lógica como sendo a aparência assumida pelo meio lógico ao interligar equipamentos de rede ou sistemas em rede. Tais topologias de redes reais física e lógica não são, necessariamente, coincidentes. TOPOLOGIA PONTO-A-PONTO A primeira forma de interligação entre sistemas foi através de pares metálicos em linhas seriais. Somente os sistemas envolvidos utilizavam aquele meio tornando-o, portanto, exclusivo. Em outras palavras, o meio físico interligava dois nós da rede ou dois pontos da rede (Figura 1). Fig. 1: Diagrama da Topologia Ponto-a-Ponto. Para adicionar um novo nó a aquele grupo era necessário que um dos elementos tivesse mais portas seriais. - 2/10 -
Fig. 2: A Expansão de nós na topologia Ponto-a-Ponto. O nó adicionado (NÓ C) dependia do nó oposto (Nó B) para se comunicar com vizinho mais distante (Nó A). Adicionar uma nova porta serial num computador daquela época (1970) representava alto custo. Como a maioria dos computadores (Mainframes) continham somente algumas unidades de portas seriais era mais barato inserí-los na rede do que adquirir placas de expansão. A Topologia Ponto-a-Ponto assim se estabelecia e apresentava algumas desvantagens. Cada nó é um ponto crítico da rede pois a falha isola a rede em 2 segmentos físicos adjacentes. Ou seja, a pane de um nó intermediário (Nó B ou C) quebra o enlace entre os outros (Nós A ou D) e a distância física (geográfica) entre eles estava limitada pelas características do meio. Sob o ponto de vista lógico, a topologia ponto-a-ponto é bastante comum, mesmo nos dias de hoje. Os nós intermediários tem comportamento de equipamentos de rede conhecidos como switches, roteadores, NATs, proxies e gateways, conforme apresentado em 03-Arquitetura de Redes-Equipamentos. TOPOLOGIA EM BARRAMENTO O avanço tecnológico daquela época trouxe a ideia de um barramento (meio físico = cabo coaxial) compartilhado com os nós. O barramento é um meio passivo, pois é energizado pelos próprios nós que o compartilham. Fisicamente, o meio físico de uma topologia em barramento apresenta alta impedância das interfaces de acoplamento, o que mantém a impedância da linha na tolerância admitida. Por outro lado, a distância entre nós extremos é fator limitante. - 3/10 -
Fig. 3: Diagrama da topologia em Barramento. A inserção de um novo nó dependia, apenas, da especificação de uma interface para aquele tipo de barramento. O número de nós poderia se expandir, teoricamente, de forma ilimitada. A remoção ou inserção do nó na rede, desde que não quebrasse a continuidade da mesma, poderia ser feito a qualquer momento. O barramento consistia de um cabo coaxial (grosso ou fino) com terminadores de balanceamento de 50 Ohm. A distância máxima entre extremos era de 500 metros com o coaxial grosso e 180 metros com o coaxial fino. A carga equivalente da resultante dos terminadores e tamanho do cabo deve ser da ordem de 25 +/- 2 Ohm. Com tal limitação, pode-se chegar a 250 metros de cabo coaxial fino e com cargas de 47 Ohm nos extremos. Contudo, a grande distância entre nós localizados nos extremos pode gerar problemas de colisão quando dois (ou mais) sistemas acessam o barramento ao mesmo tempo, ou em instantes muito próximos, pois nenhum daqueles detecta a presença de sinal gerada pelo outro. A colisão também ocorre com a ruptura do barramento. Quando acontece a ruptura ocorre um desbalanceamento de carga e o detector de colisão deixa de operar corretamente. A velocidade máxima testada de operação de um barramento coaxial é de 20 Mbps, porém limita, severamente, a distância entre extremos em menos de 50 metros. Alguns fabricantes de interface chegaram a comercializar interfaces de 15 Mbps mas o padrão comercialmente adotado ficou limitado em 10 Mbps em half-duplex. TOPOLOGIA EM ANEL Enquanto um grupo de desenvolvimento trabalhava para a tecnologia de barramento tentando resolver os problemas de colisão, um segundo grupo (da IBM) optou por inovar a tecnologia ponto-a-ponto. - 4/10 -
Se o problema era o desbalanceamento então se a eletrônica for auto balanceada a rede física poderá manter sua operação. Assim, a inovação tecnológica era uma topologia onde o barramento é fechado, criando um anel. Uma vez que as distâncias entre extremos por segmento é pequena então a velocidade de operação pode ser maior (15 Mbps). A transmissão de um quadro do Nó A para o Nó C trafega pelo segmento entre os Nós A e B e repetida para o segmento entre os Nós B e C. Fig. 4: Topologia em Anel Único ou Simples. A topologia em anel único durou pouco tempo. Uma vez que os segmentos lembram também um circuito ponto a ponto, a inserção ou remoção de outros equipamentos no anel exige a desativação de toda a rede (Figura 4). Ou seja, se o Nó B for removido, mesmo que a rede continue operacional, o Nó A não conseguirá transmitir para o nó C, embora o inverso seja possível. Fig. 5: Topologia em Anel Duplo. - 5/10 -
A mesma empresa implementou uma outra inovação utilizando um duplo anel. Os anéis transmitem em direções opostas. Além disso, um nó só pode transmitir se ele detém um quadro sinalizador denominado Token (Figura 5). Caso o token não seja recebido em intervalos regulares é sinal que ocorreu alguma interrupção e um novo token é negociado. O sistema que impede a continuidade do token é automaticamente removido pelos vizinhos, que fecham os anéis e geram, sob urgência, um anel de direção única (Figura 6). Neste caso, um dos tokens é removido. Fig. 6: Restauração de rede por interligação entre dos aneis interno e externo. A grande vantagem da topologia em anel duplo está na redundância que ela implementa. Historicamente, até então, os segmentos entre nós usavam o mesmo cabo coaxial da topologia em barramento. A desvantagem está no número de equipamentos do anel. Um anel com mais de 8 equipamentos torna-se excessivamente lento, mesmo que os segmentos operem em altas velocidades o seu desempenho depende dos equipamentos envolvidos, tais como carga computacional e capacidade de processamento. Para amenizar aquelas limitações, foram introduzidos processadores de grande porte nas interfaces de rede. Assim, o que antes era realizado elo processador central de cada equipamento é realizado pelo processador dedicado. A solução, apesar de melhorar substancialmente o desempenho esperado (400 Mbits por segundo), apresentava a desvantagem do custo das interfaces. Com o avanço tecnológico, aqueles processadores dedicados substituídos por micro controladores, tornando aquele tecnologia mais competitiva e acessível. TOPOLOGIA ESTRELA - 6/10 -
Mais uma inovação em vista, agora aplicada à topologia ponto-a-ponto. Com a redução de custos das interfaces de rede e as limitações do número de equipamentos de uma topologia em anel, buscava-se uma topologia que facilitasse a expansão do barramento, não fosse sensível à remoção de equipamento da rede, evitasse a colisão, e apresentasse um baixo custo. A solução para o problema foi o desenvolvimento de um equipamento dedicado (Equipamento Central), com várias interfaces de rede e com os segmentos independentes (Figura 7). Fig. 7: Diagrama da Topologia em ESTRELA. A Topologia Estrela surgiu da distribuição dos nós ao redor do equipamento central. Uma das características da topologia é a existência de uma topologia ponto-a-ponto entre o Equipamento Central e os Nós. Na expansão, caso o EC (Equipamento Central) não tenha portas suficientes, opta-se por cascatear um segundo equipamento ao primeiro por porta, gerando uma constelação de equipamentos centrais e computadores. (Figura 8) Alguns ECs expõem seus barramentos internos. O objetivo é permitir a interligação entre ECs por tais barramentos, fundindo-os (Figuras 9 e 10). O resultado de tal recurso é melhor pois os dois (ou mais) equipamentos passam a agir como se fosse um único EC. A desvantagem desse método é que o cascateamento por barramento exige que os ECs sejam de um mesmo fabricante, enquanto o cascateamento por porta tal requisito é facultativo. - 7/10 -
Fig. 8: Constelação envolvendo cascateamento por porta. Fig. 9: Cascateamento por barramento. Fig. 10: Diagrama equivalente de um cascateamento por barramento. O uso da topologia em estrela ganhou popularidade graças ao desenvolvimento das interfaces de par trançado. É, portanto, a topologia mais utilizada em backbones e distribuição para redes externas onde os segmentos são de fibra ótica ou acopladas a sistemas de rádio. A principal desvantagem da topologia é a dependência severa do equipamento central. Uma vez em pane, todos os equipamentos e computadores a ele conectados estarão fora do circuito. A vantagem está na independência dos segmentos, que podem ser ligados ou desligados sem prejudicar os demais. - 8/10 -
APLICAÇÃO DAS TOPOLOGIAS A topologia ponto-a-ponto é útil na inserção de nós temporários numa rede maior, através de portas seriais, paralelas e, atualmente, USB, IEEE1394. A topologia de barramento é indicada para laboratórios de testes, onde nunca se sabe o número de equipamentos a testar, além de envolver custos baixos. A topologia em estrela é empregada em vários tipos de rede, sendo hoje, a topologia operacional mais comum. A topologia em anel, por implementar redundância, é indicada em redes onde se exige confiabilidade. Apesar de características bem específicas, nada impede que uma rede empregue topologias mistas, explorando as vantagens de cada tipo e cuidando das desvantagens. Fig. 11: Diagrama de uma Topologia Mista A Topologia mista (Figura 11) foi utilizada por vários anos em dois Centros de Pesquisa. O enlace ponto a ponto interligava dois os dois Centros. Internamente, um deles implementa uma topologia mista de anel e estrela, enquanto no outro uma topologia em barramento. - 9/10 -
AS TOPOLOGIAS LÓGICAS Mesmo numa topologia física estrela a visão lógica é uma topologia em barramento ou mesmo ponto-a-ponto. A identificação de qual delas será depende do equipamento lógico de rede em uso e da camada lógica observada. Considere um conjunto de HUBs cascateados ou um conjunto de repetidores ou mesmo de conversores. A topologia lógica vista sempre será a de um barramento e não de uma estrela, pois tais equipamentos não constituem nós lógicos em nenhuma camada OSI. Já um SWITCH, que opera analisando endereços físicos, terá duas topologias lógicas: A topologia vista pela camada de enlace será uma topologia estrela, mais a topologia vista pelas camadas superiores será de um barramento, pois não há distinção de ramo lógico ou da camada de rede. Um conjunto de ROTEADORES com várias portas cada um, será visto pelas camadas de enlace e de rede com topologias estrela. Porém, se a topologia física for em anel então a topologia lógica poderá ser ponto-a-ponto. Trace um diagrama das várias topologias físicas e insira vários equipamentos de rede. Agora, analise as topologias lógicas em função das camadas do modelo OSI. Esta é uma das atividades que um profissional de computação faz para identificar e escolher os equipamentos de rede a serem adquiridos num projeto de rede. - 10/10 -