Arquitetura Redes

8/16/2019 Arquitetura Redes

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CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DACOMPUTAÇÃO

PROFa ELIZABETH SPECIALSKIINE - UFSC

[email protected]

FLORIANÓPOLIS, MARÇO DE 2000


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Arquiteturas de Redes 2

Apresentação

Profa. Elizabeth Sueli Specialski, MSC. UFRGS (Brasil, 1981)Elizabeth Sueli Specialski graduou-se em Matemática pela PontifíciaUniversidade Católica do Rio Grande do Sul em 1978, obteve o título deMestre em Ciências da Computação pela Universidade Federal do RioGrande do Sul em 1981 e o título de Doutora em Engenharia pelaUniversidade Federal de Santa Catarina em março de 2000. Éprofessora no nível Adjunto IV da Universidade Federal de SantaCatarina e vem atuando em pesquisa e formação na área de Redes deComputadores e de Gerência de Redes de Computadores e deTelecomunicações junto ao Departamento de Informática e deEstatística da UFSC nos cursos de Graduação em Computação e Pós-

Graduação em Computação e em Engenharia de Produção. Seudesempenho é traduzido pela publicação de mais de 50 trabalhos emCongressos Nacionais e Internacionais, palestras convidadas econsultorias realizadas junto a empresas fornecedoras de produtos eserviços de telecomunicações.

Endereço para contato:

Prof. Elizabeth Sueli SpecialskiDepartamento de Informática e de Estatística

Universidade Federal de Santa CatarinaCampus Universitário — Trindade88040-900 — Florianópolis — SCTel.: (048) 331-9498Fax: (048) 331-9566E-mail: [email protected]


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Sumário

Capítulo 1 - Introdução às Redes de Comunicação ............................................................. 61.1 I NTRODUÇÃO ...........................................................................................................................61.2 HISTÓRICO DAS R EDES DE COMUNICAÇÃO................................................................................71.3 IMPORTÂNCIA DAS R EDES DE COMUNICAÇÃO ...........................................................................81.4 O HARDWARE DE R EDE ...........................................................................................................9

1.4.1 As diferentes topologias...................................................................................................91.4.2 Topologia física X topologia lógica ............................................................................... 111.4.3 Categorias de redes....................................................................................................... 11

1.5 O SOFTWARE DE R EDE...........................................................................................................121.5.1 Serviços necessários à comunicação.............................................................................. 121.5.2 A organização de funções ..............................................................................................141.5.3 A estruturação em camadas........................................................................................... 15

Capítulo 2 - Conceitos Básicos do Software de Rede ........................................................ 172.1 I NTRODUÇÃO .........................................................................................................................172.2 HIERARQUIA DE PROTOCOLOS ................................................................................................172.3 DIFERENÇAS ENTRE SERVIÇO E PROTOCOLO ...........................................................................192.4 QUESTÕES DE PROJETO RELACIONADAS ÀS CAMADAS..............................................................192.5 I NTERFACES E SERVIÇOS ........................................................................................................202.6 SERVIÇOS ORIENTADOS À CONEXÃO E SEM CONEXÃO ..............................................................212.7 PRIMITIVAS DE SERVIÇO ........................................................................................................22

Capítulo 3 - Arquiteturas de Redes ....................... ........................... ........................... ........ 25

3.1 I NTRODUÇÃO .........................................................................................................................253.2 CLASSIFICAÇÃO DAS R EDES DE COMPUTADORES .................................................................... 25

3.2.1 Redes Locais ................................................................................................................. 25

3.2.2 Redes Metropolitanas .................................................................................................... 26 3.2.3 Redes Geograficamente Distribuídas .............................................................................26 3.2.4 Redes Sem Fio............................................................................................................... 27 3.2.5 Ligação entre Redes ...................................................................................................... 283.2.6 Parâmetros de comparação........................................................................................... 28

3.3 AS ARQUITETURAS DE REDE.................................................................................................... 293.4 A ARQUITETURA DO RM/OSI.................................................................................................303.5 A ARQUITETURA TCP/IP – I NTERNET ....................................................................................303.6 AS R EDES LOCAIS..................................................................................................................31

3.6.1 O RM-OSI e as redes locais ........................................................................................... 313.6.2 O padrão IEEE 802....................................................................................................... 323.6.3 Interconexão de redes locais.......................................................................................... 33

Capítulo 4 - Modelos de Referência....................... ........................... ........................... ........ 35

4.1 I NTRODUÇÃO .........................................................................................................................354.2 O MODELO DE REFERÊNCIA OSI .............................................................................................35

4.2.1 As camadas do RM-OSI .................................................................................................37 4.3 O MODELO DE REFERÊNCIA TCP/IP........................................................................................39

4.3.1 As camadas do TCP/IP ..................................................................................................394.4 ATM E O MODELO DE R EFERÊNCIA B-ISDN ..........................................................................42

4.4.1 Elementos básicos ATM .................................................................................................434.4.2 Camadas de Adaptação ATM ......................................................................................... 44


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4.4.3 Estrutura da AAL ..........................................................................................................46 4.4.4 Meio de Transmissão..................................................................................................... 46 4.4.5 Camada física do modelo de referência B-ISDN .............................................................47

4.5 OUTROS EXEMPLOS DE R EDES ................................................................................................47

Capítulo 5 - A Camada Física........................ ........................... ........................... ................. 50

5.1 I NTRODUÇÃO .........................................................................................................................505.2 OS SUPORTES DE TRANSMISSÃO ..............................................................................................50

5.2.1 O par de fios trançados .................................................................................................505.2.2 Os cabos coaxiais..........................................................................................................505.2.3 As fibras óticas..............................................................................................................515.2.4 As redes sem fio (radiodifusão)......................................................................................51

5.3 ASPECTOS DA TRANSMISSÃO DE DADOS ..................................................................................52

Capítulo 6 - A Camada de Enlace de Dados........................ ........................... ..................... 55

6.1 I NTRODUÇÃO .........................................................................................................................556.2 AS CLASSES DE SERVIÇOS DE E NLACE ....................................................................................556.3 AS PRIMITIVAS DE E NLACE..................................................................................................... 566.4 O CONCEITO DE QUADRO........................................................................................................576.5 O CONTROLE DE ERRO............................................................................................................58

6.5.1 Os códigos de correção de erro .....................................................................................596.5.2 Os códigos de detecção de erro......................................................................................606.5.3 Procedimentos para controle de erro .............................................................................61

6.6 O CONTROLE DE FLUXO .........................................................................................................64

6.7 O CONTROLE DE ACESSO AO MEIO .......................................................................................... 656.8 ALGUNS EXEMPLOS DE PROTOCOLOS DE ENLACE.....................................................................66

Capítulo 7 - A Camada de Rede......................... ........................... ........................... ............ 68

7.1 I NTRODUÇÃO .........................................................................................................................687.2 SERVIÇOS OFERECIDOS PELA CAMADA DE R EDE ......................................................................687.3 ORGANIZAÇÃO INTERNA DA CAMADA DE R EDE .......................................................................707.4 AS PRIMITIVAS DE SERVIÇO DE REDE.......................................................................................717.5 O ENDEREÇAMENTO DE R EDE.................................................................................................737.6 A FUNÇÃO DE R OTEAMENTO ..................................................................................................74

7.6.1 Algoritmo do caminho mais curto ..................................................................................747.6.2 Roteamento multicaminhos............................................................................................ 75

7.7 O CONTROLE DE CONGESTIONAMENTO ...................................................................................76

7.7.1 A pré-alocação de buffers..............................................................................................76 7.7.2 A destruição de pacotes .................................................................................................77 7.7.3 O controle de fluxo ........................................................................................................77 7.7.4 Outras técnicas..............................................................................................................77

7.8 LIGAÇÕES INTER -REDES .........................................................................................................77

Capítulo 8 - A Camada de Transporte ........................ ........................... ........................... ... 79

8.1 I NTRODUÇÃO .........................................................................................................................798.2 SERVIÇOS OFERECIDOS PELA CAMADA DE TRANSPORTE ...........................................................798.3 AS PRIMITIVAS DE SERVIÇO DE TRANSPORTE ..........................................................................808.4 OS PROTOCOLOS DE TRANSPORTE .......................................................................................... 828.5 E NDEREÇAMENTO..................................................................................................................848.6 MULTIPLEXAÇÃO E SPLITTING.................................................................................................87

8.7 ESTABELECIMENTO E ENCERRAMENTO DE CONEXÕES..............................................................878.8 CONTROLE DE FLUXO E BUFFERIZAÇÃO ..................................................................................87

Capítulo 9 - A Camada de Sessão ......................... ........................... ........................... ........ 88

9.1 I NTRODUÇÃO .........................................................................................................................889.2 SERVIÇOS OFERECIDOS PELA CAMADA DE SESSÃO ................................................................... 889.3 SESSÃO X TRANSPORTE: SIMILARIDADES E DIFERENÇAS ..........................................................899.4 A GESTÃO DO DIÁLOGO..........................................................................................................909.5 A SINCRONIZAÇÃO.................................................................................................................919.6 GERENCIAMENTO DE ATIVIDADES...........................................................................................92


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9.7 AS PRIMITIVAS DE SERVIÇO DE SESSÃO...................................................................................93

Capítulo 10 - A Camada de Apresentação........................... ........................... ..................... 95

10.1 I NTRODUÇÃO .........................................................................................................................9510.2 AS PRIMITIVAS DE SERVIÇO DA CAMADA DE APRESENTAÇÃO ...................................................9510.3 A NOTAÇÃO ASN.1 ............................................................................................................... 9610.4 A COMPRESSÃO DE DADOS ..................................................................................................... 98

10.4.1 Codificação de um alfabeto finito de símbolos................................................................9810.4.2 Codificação dependente da freqüência...........................................................................9910.4.3 Codificação baseada no contexto...................................................................................99

10.5 A CRIPTOGRAFIA ................................................................................................................. 10010.5.1 A criptagem por substituição .......................................................................................10110.5.2 A criptagem por transposição......................................................................................101

Capítulo 11 - A Camada de Aplicação................................................................................103

11.1 I NTRODUÇÃO .......................................................................................................................10311.2 ESTRUTURA DA CAMADA DE APLICAÇÃO .............................................................................. 103

11.2.1 Características específicas da camada de Aplicação....................................................10311.2.2 Conceitos relacionados à camada de Aplicação........................................................... 10411.2.3 Exemplos de Estruturas de AEIs .................................................................................. 105

11.3 O ELEMENTO DE SERVIÇO ACSE .......................................................................................... 10611.3.1 Os serviços oferecidos pelo ACSE ................................................................................ 106 11.3.2 As interfaces do ACSE com os serviços de Apresentação.............................................. 107

11.4 OUTROS ELEMENTOS DE SERVIÇO ......................................................................................... 107

11.4.1 Transferência Confiável (RTSE) .................................................................................. 10811.4.2 Operações Remotas (ROSE) ........................................................................................10811.4.3 Confiabilidade, Concorrência e Recuperação (CCR) ................................................... 10811.4.4 Processamento de Transações (TP).............................................................................. 109

11.5 ACESSO E TRANSFERÊNCIA DE ARQUIVOS (FTAM) ................................................................10911.5.1 O servidor virtual de arquivos ..................................................................................... 11011.5.2 As primitivas de serviço de FTAM ................................................................................ 111

Capítulo 12 - Bibliografia ....................................................................................................112


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Capítulo 1 - Introdução às Redes deComunicação

1.1 INTRODUÇÃO

A história nos mostra que cada um dos últimos séculos foi dominado por uma tecnologiadiferente. A revolução industrial no século XVIII, as máquinas a vapor no século XIX e a tecnologia dainformação no século XX. Exemplos disto são as redes de telefonia em escala mundial, o rádio, atelevisão, os computadores e os satélites de comunicação. Com estas conquistas, o conceito de distânciageográfica tornou-se, em alguns casos, um fator pouco importante para a solução de problemas.

Apesar da indústria da informática ser muito jovem se comparada a outros setores (a deautomóveis e de aviões, por exemplo), os progressos ocorridos foram espetaculares em um curto espaçode tempo. Nas duas primeiras décadas de sua existência, os sistemas computacionais eramacondicionados em uma grande sala com paredes de vidro, através das quais a maior parte dos visitantes,e até usuários, podiam contemplar extasiados aquela maravilha eletrônica. Uma empresa de médio porteou uma universidade contava apenas com um ou dois computadores, enquanto grandes instituiçõestinham, no máximo, algumas dezenas. Era pura ficção científica a idéia de que, em apenas 20 anos,haveria milhões de computadores muito mais avançados, do tamanho de um selo postal, ou ainda menor.

A fusão dos computadores e das comunicações teve uma profunda influência na forma como ossistemas computacionais foram organizados. Está totalmente ultrapassado o conceito de “centro decomputação” como uma sala onde os usuários levam os programas para serem processados. Este conceitofoi substituído pelas chamadas redes de computadores, nas quais os trabalhos podem ser realizados por uma série de computadores interconectados. Sendo assim, é uma necessidade o conhecimento, por partedo pessoal envolvido com informática, dos conceitos e funcionamento das redes de computadores.

É importante então conceituar o que entendemos por redes de computadores. Nós usaremos o

termo rede de computadores para designar um conjunto de computadores autônomos einterconectados. Dois computadores são interconectados quando podem trocar informações através dealgum mecanismo de comunicação. Quando dizemos que eles devem ser autônomos desejamos excluir ossistemas onde existe uma clara relação mestre/escravo.

Outro esclarecimento importante é fazer uma clara distinção entre uma rede de computadores eum sistema distribuído. A principal diferença entre eles é que, em um sistema distribuído, a existênciade diversos computadores autônomos é transparente para o usuário. A transparência de utilização é dada

pelo sistema operacional. Em suma, o usuário de um sistema distribuído não tem consciência de que hávários processadores. Para ele é como se existisse um processador virtual e todas as atividades paraexecução de uma tarefa acontecem de forma o mais automatizada possível. Por outro lado, em uma rede,o usuário necessita realizar explicitamente suas tarefas, tais como: fazer o login em uma máquina,realizar a transferência de seus arquivos, submeter suas tarefas remotas, entre outras. Na prática, umsistema distribuído é um sistema de software instalado em uma rede, proporcionando um alto grau decoesão e transparência ao usuário. É o software, ou o sistema operacional, que determina a diferença entreuma rede e um sistema distribuído, não o hardware. No entanto os dois assuntos possuem uma série de

pontos em comum, por exemplo: os sistemas distribuídos e as redes necessitam movimentar arquivos. Adiferença está em quem é o responsável pela movimentação: o sistema operacional ou o usuário.


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1.2 HISTÓRICO DAS REDES DE COMUNICAÇÃO

A evolução da microeletrônica e da informática tem possibilitado a obtenção de processadores eoutros componentes de computadores cada vez mais potentes e velozes, num tamanho mais reduzido enum preço cada vez mais acessível a um maior número de pessoas.

Os microprocessadores existentes hoje em dia, que ocupam o espaço menor do que uma caixa defósforos, substituem e ultrapassam as capacidades dos computadores de alguns anos atrás, que ocupavamsalas inteiras. Estes eram máquinas bastante complexas no que diz respeito à sua utilização, sendooperadas apenas por especialistas. Os usuários daqueles computadores normalmente submetiam seus

programas aplicativos como jobs (ou tarefas) sem qualquer interação com o processamento do programa.

Uma primeira tentativa de interação com o computador ocorreu no início dos anos 60, com atécnica de time-sharing , que foi o resultado do desenvolvimento dos sistemas computacionais e datecnologia de transmissão de dados. Nesta técnica, um conjunto de terminais era conectado a umcomputador central através de linhas de comunicação de baixa velocidade, o que permitia aos usuáriosinteragir com os seus programas. A necessidade de conexão de terminais para o processamento interativofoi o ponto de partida para o estabelecimento de necessidades de comunicação nos computadores. Atécnica de time-sharing permitia a um grande conjunto de usuários o compartilhamento de um únicocomputador para a resolução de uma grande diversidade de problemas e as aplicações desenvolvidasforam cada vez mais se multiplicando e se diversificando (cálculos complexos, produção de relatórios,ensino de programação, aplicações militares, etc). Este aumento na demanda implicava numa necessidadecrescente de atualizações e incremento na capacidade de cálculo e de armazenamento nas CPUs, o quenem sempre era viável ou possível, dado que os computadores do tipo mainframes nem sempre eramadaptados para suportar determinadas extensões.

O avanço tecnológico na área dos circuitos integrados, gerando componentes mais poderosos aum custo mais baixo, foi caindo o preço da CPU. Este evento constituiu a chamada revolução dohardware. Nos anos 70, com o surgimento dos minicomputadores, foi possível adaptar as capacidades de

processamento às reais necessidades de uma dada aplicação. Além disso, um grande número de usuáriosoperavam sobre conjuntos comuns de informações, gerando a necessidade de compartilhamento de dados,de dispositivos de armazenamento e de periféricos entre os vários departamentos de uma empresa. Istodeu um novo impulso aos trabalhos no sentido de resolver os problemas de comunicação entre oscomputadores. Este novo tipo de aplicações exigia velocidade e capacidade de transmissão muito maiselevadas que no caso da conexão de terminais a um computador central. Assim, com a utilização deminicomputadores interconectados, obtinha-se muitas vezes uma capacidade de processamento superior àquela possível com a utilização dos mainframes. Outro aspecto interessante é que as redes podiam ser estendidas em função das necessidades de processamento das aplicações. Além disso, a modularidadenatural das redes de computadores era tal que uma falha num minicomputador ou na rede tinha um efeito

bastante limitado em relação ao processamento global.O surgimento dos minicomputadores e dos computadores pessoais trouxe uma nova solução para

o problema de máquinas multi-usuário pois dava uma CPU para cada um deles. As pequenas companhiase as subsidiárias utilizavam-se dos minicomputadores para algum processamento local e na preparaçãodos dados para o bureaux de serviços ou para a matriz. Os dados eram transferidos quando exigiam umgrande volume de processamento ou um processamento requerendo software ou hardware especial.

O uso dos minicomputadores minimizou mas não solucionou o problema da comunicação.Minimizou porque os dados podiam agora ser preparados e armazenados em fita magnética etransportados via sistema de malotes. Este sistema de transporte não é, obviamente, o mais adequado paratransferência de informação pois está sujeito a acidentes, gerando atraso ou perda total do material.

Por outro lado, o sistema centralizado oferecia a vantagem de compartilhar recursos caros tantode software como de hardware, ou seja, o software e hardware especial era caro mas seu preço eraamortizado pelo rateio do custo dos periféricos entre os vários usuários. Surge, então, a necessidade de

uma nova tecnologia para compartilhamento de recursos.Paralelamente, a tecnologia de comunicações alcançava a transmissão digital em linhas

telefônicas através de modems. Este serviço era caro e apenas suportado por grandes companhias, umavez que utilizavam linhas telefônicas de forma dedicada. Esta situação perdurou por algum tempo (noBrasil, até março de 1985) e era necessária outra solução para comunicação através de uma novatecnologia de comunicação.

A necessidade da disseminação da informação e os avanços em tecnologia de armazenamento, propiciaram o aparecimento de discos de grande capacidade e mais baratos (explosão da informação egrandes bancos de dados). Aí o problema de comunicação tornou-se muito mais sério. Para acessos não


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muito freqüentes, uma linha telefônica dedicada não era viável em termos de custo e o transporte viamalote era inviável em termos de velocidade. A solução para o compartilhamento de recursos físicos elógicos juntamente com a vantagem de se ter um sistema descentralizado, só pode ser alcançada atravésda interconexão das CPUs entre si. É a isso que se propõem as redes de computadores.

As soluções encontradas, na época, para a comunicação de computadores em termos de longadistância foi a tecnologia de comutação de pacotes, que solucionou o problema da linha telefônicadedicada e o problema do transporte via malote. Num ambiente restrito a uma região local (por exemplo,uma fábrica, um campus), o problema do compartilhamento de recursos através de interconexão de CPUsfoi resolvido através da tecnologia de redes locais.

Atualmente, as vantagens dos sistemas distribuídos e interconectados são uma evidência

reconhecida para as aplicações mais diversas, desde a automação de escritórios até o controle de processos, passando por aplicações de gerenciamento bancário, reservas de passagens aéreas, processamento de texto, educação à distância, correio eletrônico, WWW, entre outras tão bemconhecidas.

A junção de duas tecnologias – comunicação e processamento de informações – veiorevolucionar o mundo em que vivemos, abrindo as fronteiras para novas formas de comunicação, e

permitindo maior eficácia dos sistemas computacionais. As redes de computadores são uma realidadeneste nosso contexto atual.

1.3 IMPORTÂNCIA DAS REDES DE COMUNICAÇÃO

Um grande número de empresas possui atualmente uma quantidade relativamente grande decomputadores operando nos seus diversos setores. Um exemplo deste fato é aquele de uma empresa que possui diversas fábricas contendo cada uma um computador responsável das atividades de base da fábrica(controle de estoques, controle da produção e produção da folha de pagamentos). Neste exemplo, apesar da possibilidade de operação destes computadores de maneira isolada, é evidente que sua operação seriamais eficiente se eles fossem conectados para, por exemplo, permitir o tratamento das informações detodas as fábricas da empresa. O objetivo da conexão dos diferentes computadores da empresa é permitir oque poderíamos chamar de compartilhamento de recursos, ou seja, tornar acessíveis a cada computador todos os dados gerados nas diversas fábricas da empresa.

Um outro ponto importante da existência das Redes de Comunicação é relacionado a umaumento na confiabilidade do sistema como um todo. Pode-se, por exemplo, ter multiplicados osarquivos em duas ou mais máquinas para que, em caso de defeito de uma máquina, cópias dos arquivoscontinuem acessíveis em outras máquinas. Além disso, o sistema pode operar em regime degradado no

caso de pane de um computador, sendo que outra máquina pode assumir a sua tarefa. A continuidade defuncionamento de um sistema é ponto importante para um grande número de aplicações, como por exemplo: aplicações militares, bancárias, o controle de tráfego aéreo, etc.

A redução de custos é uma outra questão importante da utilização das Redes de Comunicação,uma vez que computadores de pequeno porte apresentam uma menor relação preço/desempenho que osgrandes. Assim, sistemas que utilizariam apenas uma máquina de grande porte e de custo muito elevado

podem ser concebidos à base da utilização de um grande número de microcomputadores (ou estações detrabalho) manipulando dados presentes num ou mais servidores de arquivos. Os mainframes são dezenasde vezes mais rápidos do que alguns computadores pessoais mas também seu preço é milhares de vezesmaior. Esta situação levou os projetistas a criarem sistemas baseados em computadores pessoais para osusuários com os dados mantidos em um ou mais servidores de arquivos compartilhados, Neste modelo osusuários são chamados clientes e a organização geral é denominada modelo cliente/servidor. No modelocliente/servidor um processo cliente envia uma mensagem de solicitação ao processo servidor para que

alguma tarefa seja executada. Em seguida o processo servidor executa a tarefa e envia a resposta ao processo cliente. Geralmente existem muitos clientes usando um pequeno número de servidores.Ainda temos como vantagem no uso das redes a escalabilidade, que é a possibilidade de

aumentar gradualmente o desempenho do sistema à medida que cresce o volume de carga, através daadição de mais processadores. Esta era uma enorme dificuldade nos sistemas centralizados. Quando olimite de capacidade era atingido, o sistema tinha que ser substituído por um maior, o que geralmenteimplicava em altos custos e grandes aborrecimentos para os usuários.

Outras vantagens estão relacionadas ainda a questões que não tem relação com tecnologia. Umarede de computadores oferece um meio de comunicação altamente eficaz para funcionários que


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trabalham em locais muito distantes um do outro. Uma rede viabiliza, por exemplo, a possibilidade deduas ou mais pessoas escreverem um relatório mesmo estando separadas por milhares de quilômetros.Quando algum dos participantes faz uma alteração no documento on-line, seus parceiros podem vê-laimediatamente, sem que seja necessário passar dias esperando por uma carta. Isto facilita o espírito deequipe e reduz em muito o custo de manutenção de equipes de trabalho que não estão localizadas m umamesma cidade.

1.4 O HARDWARE DE REDE

Vamos agora dar um pouco de atenção a forma de estruturação de uma rede. Em relação àestruturação, dois aspectos podem ser abordados: a física e a lógica. Para isso serão discutidas as váriastopologias de uma rede. O conceito de topologia, até há pouco relacionado apenas com a estruturaçãofísica da rede, agora abrange, também, a forma como a mesma é definida logicamente.

Existem várias classificações para as diferentes redes de computadores. Dentre elas, duasdimensões se destacam mais: a escala e a tecnologia de transmissão.

Basicamente há dois tipos de tecnologia de transmissão: as redes em difusão e as redes ponto-a-ponto. Nas redes em difusão há apenas um canal de transmissão compartilhado por todas as máquinas.Uma mensagem enviada por uma estação é “ouvida” por todas as outras estações. Nas redes ponto-a-

ponto existem várias conexões entre pares individuais de estações. Estes dois tipos de ligação podem ser visualizados na figura 1.1 a seguir.

computador

cabo

(a) (b)Figura 1.1 – Rede em difusão (a) e rede ponto-a-ponto (b).

1.4.1 AS DIFERENTES TOPOLOGIAS

Um ponto importante no que diz respeito à concepção de uma rede de comunicação é a definiçãoda maneira como as diferentes estações serão interligadas. Estes arranjos são denominados topologia darede. Estas topologias estão relacionadas a forma como o canal de comunicação será alocado, ou seja,através de canais ponto-a-ponto ou canais de difusão.

Nas topologias que utilizam canais ponto-a-ponto, a rede é composta de diversas linhas decomunicação, cada linha sendo associada à conexão de um par de estações. Neste caso, se duas estações

precisam comunicar-se e não há entre elas um cabo comum, a comunicação será feita de modo indireto,através de uma (ou mais) estações. Assim, quando uma mensagem é enviada de uma estação a outra deforma indireta, ela será recebida integralmente por cada estação e, uma vez que a linha de saída daestação considerada está livre, retransmitida à estação seguinte.

Esta política de transmissão é também conhecida por store and forward . A maior parte das redesde longa distância são do tipo ponto-a-ponto. As redes ponto-a-ponto podem ser concebidas segundodiferentes topologias. As redes locais ponto-a-ponto são caracterizadas normalmente por uma topologia

simétrica; as redes de longa distância apresentam geralmente topologias assimétricas. A figura 1.2apresenta as diferentes topologias possíveis nas redes ponto-a-ponto.


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Figura 1.2 - Topologias ponto-a-ponto: estrela, anel, malha regular, malha irregular e árvore.

Uma outra classe de redes, as redes de difusão, são caracterizadas pelo compartilhamento, por todas as estações, de um único canal de comunicação. Neste caso, as mensagens enviadas por umaestação são recebidas por todas as demais conectadas ao suporte de transmissão, sendo que um campo de

endereço contido na mensagem permite identificar o destinatário. Na recepção, a máquina verifica se oconteúdo do campo de endereço corresponde ao seu e, em caso negativo, a mensagem é ignorada. Asredes locais pertencem geralmente a esta classe de redes. Nas redes de difusão existe a possibilidade deuma estação enviar uma mesma mensagem às demais estações da rede, utilizando um código de endereçoespecial. Neste caso, todas as estações vão tratar as mensagens recebidas endereçadas para este endereçocomum. Este modo de operação é denominado broadcasting . Alguns sistemas de difusão tambémsuportam transmissão para um subconjunto de estações, conhecido como multicasting .

A figura 1.3 apresenta algumas topologias possíveis no caso das redes em difusão. Numa redeem barramento, uma única máquina pode estar transmitindo a cada instante. As demais estações devemesperar para transmissão caso o barramento esteja ocupado. Para isto, um mecanismo de arbitragemdeve ser implementado para resolver possíveis problemas de conflito (quando duas ou mais estaçõesquerem enviar uma mensagem), este mecanismo pode ser centralizado ou distribuído.

Figura 1.3 - Topologias das redes de difusão: barramento, satélite e anel

No caso das redes de satélite (ou rádio), cada estação é dotada de uma antena através da qual pode enviar e receber mensagens. Cada estação pode “escutar” o satélite e, em alguns casos, receber diretamente as mensagens enviadas pelas demais estações. No caso do anel, cada bit transmitido é

propagado de maneira independente em relação à mensagem ao qual ele pertence. Em geral, cada bit realiza uma volta completa no anel durante o tempo necessário para a emissão de um certo número debits, antes mesmo da emissão completa da mensagem. Também nesta topologia, é necessária aimplementação de um mecanismo de acesso ao suporte de comunicação.

As redes de difusão podem ainda considerar duas classes de mecanismos de acesso ao suporte decomunicação: estáticas ou dinâmicas. Um exemplo do primeiro caso é a definição de intervalos de tempodurante os quais cada estação tem a posse do canal de comunicação, permitindo então que esta emita a


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mensagem de maneira cíclica. No entanto, esta política é bastante ineficiente do ponto de vista do enviodas mensagens, uma vez que muitas estações não vão enviar mensagens nos intervalos a elas destinadas.Já na outra classe de mecanismos, os dinâmicos, o acesso é dado às estações segundo a demanda de enviode mensagens. Nos mecanismos de acesso dinâmicos, pode-se ainda considerar dois casos:

• os mecanismos centralizados, nos quais uma estação central (ou árbitro) é a responsável peladefinição do direito de acesso ao suporte de comunicação;

• os mecanismos distribuídos, nos quais cada estação define quando ela vai emitir a mensagem.

1.4.2 TOPOLOGIA FÍSICA X TOPOLOGIA LÓGICA

A topologia de uma rede irá determinar, em parte, o método de acesso a rede utilizado. Métodosde acesso são necessários para regular a utilização dos meios físicos compartilhados. A forte tendência deutilização de hubs nas instalações físicas das redes corresponde, fisicamente, a implantação de umatopologia em estrela. Esta tendência é explicada pela crescente necessidade de melhorar o gerenciamentoe a manutenção nessas instalações. A topologia em estrela apresenta uma baixa confiabilidade porém osavanços da eletrônica já permitem que se construam equipamentos de alta confiabilidade, viabilizandoeste tipo de topologia.

A utilização de hubs não exige, necessariamente, que as interfaces das estações com a rede o percebam como uma topologia em estrela. O funcionamento continua a ser como no acesso a um barramento ou a um anel, com os seus respectivos métodos de acesso. Sendo assim, podemos diferenciar dois tipos de topologias: uma topologia lógica, que é aquela observada sob o ponto de vista das interfacesdas estações com a rede (que inclui o método de acesso), e uma topologia física, que diz respeito à

configuração física utilizada na instalação da rede.A construção dos hubs teve uma evolução contínua no sentido de que os mesmos não

implementem somente a utilização do meio compartilhado, mas também possibilitem a troca demensagens entre várias estações simultaneamente. Desta forma as estações podem obter para si taxasefetivas de transmissão bem maiores. Esse tipo de elemento, também central, é denominado switch. Asredes ATM, por exemplo, baseiam-se na presença de switches de grande capacidade de comutação que

permitem taxas de transmissão que podem chegar à ordem de Gbps ( gigabits por segundo).

1.4.3 CATEGORIAS DE REDES

As redes também podem ser classificadas por escala. A figura 1.4 mostra uma classificação dasvárias redes de computadores em relação a sua abrangência. Basicamente elas podem ser classificadas emtrês grupos: LAN – Local Area Network ou Rede Local, MAN – Metropolitan Area Network ou RedeMetropolitana e WAN – Wide Area Network ou Rede Geograficamente Distribuída (ou de LongaDistância).

Distância entre nós Abrangência

até 10 m

até 100 m

até 1 km

até 10 km

até 100 km

até 1.000 km

até 10.000 km

Sala

Edifício

Campus

Cidade

País

Continente

Planeta

L A N

M A N

W A N

Figura 1.4- Classificação de redes quanto a distância física entre os nós.


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A diferença na dimensão das redes introduz diferentes problemas e necessidades. No que dizrespeito ao exemplo de microcomputadores, a rede é classificada como sendo uma Rede Local,caracterizada particularmente por uma pequena extensão, limitando-se normalmente à interconexão decomputadores localizados numa mesma sala, num mesmo prédio ou num campus. Este tipo de redeinvariavelmente proprietária. Uma alternativa a este tipo de rede, muito utilizada atualmente são as RedesMetropolitanas, que são utilizadas quando as distâncias entre os módulos processadores aumentaconsideravelmente, atingindo distâncias metropolitanas. Elas podem ser públicas ou privadas.

No exemplo de empresa possuindo diversas fábricas, a rede utilizada permitiria conectar computadores localizados em diferentes prédios numa mesma cidade ou mesmo em cidades distantes deuma dada região. Esta caracteriza uma Rede de Longa Distância ou Rede GeograficamenteDistribuída.

Esta classificação não é, de maneira alguma, fechada. Por exemplo, uma rede local pode alcançar dimensões metropolitanas e ainda assim ser considerada local. Nos próximos capítulos serão estudadosmais detalhadamente cada um destes tipos de redes.

1.5 O SOFTWARE DE REDE

No projeto de uma rede muitos problemas precisam ser resolvidos e podem existir váriassoluções para os mesmos. Primeiramente definiremos alguns problemas mais comuns encontrados no

projeto de um software de rede. Em seguida apresentaremos uma definição inicial sobre a forma como ossoftwares de rede são estruturados, através de um exemplo.

1.5.1 SERVIÇOS NECESSÁRIOS À COMUNICAÇÃO

Como visto nas seções precedentes, as redes de computadores podem se caracterizar por diferentes configurações e topologias. Apesar da diversidade no que diz respeito a este aspecto, todas as

possíveis configurações têm um objetivo comum — a transferência de dados.O problema que se coloca é então relacionado à especificação dos procedimentos e mecanismos

que devem ser implementados para viabilizar o funcionamento da rede. A resolução deste problema é baseada principalmente no conhecimento prévio das funções que devem ser suportadas pela rede, assimcomo do ambiente no qual ela vai ser inserida. Estes aspectos serão mostrados aqui através de algunsexemplos. O primeiro exemplo é baseado nas políticas de time-sharing já descrita anteriormente. Vamosconsiderar o caso em que temos apenas um terminal conectado a um computador, como mostrado na

figura 1.5.

Figura 1.5 - Terminal conectado a um computador central

Considerando que um usuário vai servir-se do terminal para processar informações nocomputador central, para que isto seja possível, é necessário que o computador central seja dotado do

programa necessário ao tratamento daquelas informações. Em caso positivo, o terminal e o computador devem estabelecer um diálogo que permita o bom desenrolar das operações de tratamento dasinformações. Este diálogo deverá permitir, por exemplo, que o usuário comunique sua intenção (de


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processar as informações!) ao computador e, em seguida, envie as informações a serem processadas. Umavez efetuado o tratamento, o computador deve retornar os resultados ao terminal.

Esta seqüência de operações, apesar de aparentemente elementar, requer a satisfação de umasérie de condições. Vamos supor, por exemplo, que o computador central e o terminal tenham sidofabricados de forma totalmente independente um do outro, o que pode ter resultado numa diferentefilosofia no que diz respeito ao formato das informações. Um primeiro obstáculo a ser vencido é aqueleda linguagem; o terminal deveria então se adaptar à linguagem do computador central.

Resolvido o problema de compreensão, um outro problema encontrado diz respeito aos possíveiserros de transmissão que podem ocorrer durante a comunicação, uma vez que as linhas de comunicaçãoestão sujeitas a ruídos e outros fenômenos podendo provocar perdas de informação.

Uma outra questão pode ainda estar relacionada à velocidade de funcionamento dos doiselementos. Se considerarmos que o computador central opera numa velocidade superior à do terminal, por exemplo, o terminal corre o risco de ser “bombardeado” pelo fluxo de dados vindo do computador, o quevai exigir então o estabelecimento de um mecanismo de controle do fluxo de informações.

Resumindo, a rede de comunicação deve, além de suprir as funções de transmissão e tratamentode informações, oferecer serviços de adaptação, detecção e correção de erros de transmissão e controle defluxo.

Vamos considerar agora que, ao invés de um único terminal, vamos conectar um maior númerodeles ao computador central, como mostra a figura 1.6. Aqui, cada terminal pode, a princípio e a qualquer momento, tomar a iniciativa da troca de dados com o computador. Isto significa que cada terminal terá deser caracterizado por um endereço específico, cuja utilização correta vai permitir evitar que o computador central envie as informações aos terminais de maneira indevida.

Figura 1.6 - Configuração com vários terminais

Por outro lado, se o número de terminais conectados ao computador central tornar-serelativamente elevado (a fim de permitir a utilização máxima da capacidade de processamento deste), seránecessário organizar as interações entre terminais e o computador central em sessões, de tal forma que, aotérmino de uma sessão entre um terminal e o computador central, este terá liberados determinadoselementos (envolvidos naquela sessão) que poderão atender outros terminais em estado de espera.

Ainda, considerando que nem todos os terminais vão efetuar o mesmo tipo de tratamento deforma simultânea, dever-se-á, então, especificar a aplicação associada. Assim, todas as necessidades

vistas neste exemplo deverão ser associadas às funcionalidades definidas no exemplo anterior. Mas os problemas não terminam por aqui... (é impossível, no momento, prever onde terminarão os problemas!)Vamos considerar ainda um exemplo, mais particularmente o de uma rede contendo diversos

computadores, terminais, e outros periféricos, cada um destes elementos constituindo um nó da rede. Afigura 1.7 mostra uma situação deste tipo. Neste exemplo, os dois elementos envolvidos numacomunicação não serão mais necessariamente adjacentes; além disso, podem existir diversas maneiras deconectá-los, o que vai corresponder a diferentes caminhos. No exemplo mostrado na figura, os nós 1 e 5

podem ser conectados por, pelo menos, uns 10 caminhos e a escolha de qual caminho utilizar deveráentão ser realizada, o que é não é uma tarefa tão simples quanto possa parecer.


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Ainda, se a rede é da classe ponto-a-ponto (ou comutação de pacotes), o sistema de comunicaçãodeve assegurar a correta transmissão da informação de um ponto a outro. Particularmente, será necessáriogarantir que as mensagens enviadas serão recuperadas e reconstituídas na ordem correta no ponto dechegada.

Um requisito também importante é o aspecto da codificação das mensagens de modo a evitar oacesso a informações de parte de usuários alheios ao sistema considerado. A esta função pode-se,eventualmente, acrescentar técnicas de compressão de dados, necessárias se a informação enviada édemasiadamente redundante e o custo da comunicação é alto.

1

2

3

5

4

Figura 1.7 - Configuração com vários computadores e terminais.

1.5.2 A ORGANIZAÇÃO DE FUNÇÕES

Uma vez listadas as diferentes necessidades relacionadas a uma rede de comunicação, a questãoque se coloca é a da viabilidade de um projeto de rede, dada a quantidade de funções a implementar.

Uma outra questão é a do ordenamento das funções. O controle de fluxo deve ser realizado antesou depois da correção de erros? Uma vez resolvida esta questão, que elementos da rede serão

responsáveis da implementação destas funções? As soluções adotadas são dependentes do suporte detransmissão utilizado? Elas continuam válidas no caso de expansão da rede? Estas questões representam,de certo modo, a necessidade de levar em conta um certo ordenamento no que diz respeito à adoção dassoluções para cada problema.

Uma ilustração típica do problema é aquela da comunicação entre duas empresas. Vamos supor que o Diretor de uma Empresa A quer comunicar-se com o Diretor de uma Empresa B. Ele convoca a suaSecretária Administrativa e solicita, informalmente, que esta construa um texto relativo ao assunto a ser tratado. A Secretária Administrativa elabora o documento e o entrega ao Office Boy que vai envelopá-lo eencaminhá-lo ao Chefe do Setor de Malote. Este último encaminha o documento ao Serviço Postal paracondução à Empresa B.

Considerando que a Empresa B apresenta uma estrutura similar à Empresa A, como é ilustradona figura 1.8, os mesmos elementos atuam, cada um em suas funções, para fazer com que acorrespondência chegue às mãos do Diretor da Empresa.

Este processo caracteriza, na verdade, a filosofia de concepção das redes de comunicação, que é baseada em dois conceitos fundamentais: o da hierarquia e o da descentralização, cuja conjunção vai permitir responder à questão de ordenação na adoção das soluções. Segundo esta filosofia, uma tarefaglobal é vista como sendo decomposta a medida que se vai descendo na hierarquia e que a única interaçãofísica se faz no seu nível mais baixo.


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Diretor

Empresa

Secretária

Administrativa

Office

Boy

Chefe

Malote

Empresa A

Serviço Postal

Empresa B

Diretor

Empresa

Secretária

Administrativa

Office

Boy

Chefe

Malote

Figura 1.8 - Filosofia de concepção das redes, ilustrada por um processo de relações entre empresas.

Podemos considerar que a comunicação entre dois nós de uma rede é uma tarefa global que afeta

um sistema complexo e, consequentemente, sujeita à aplicação dos princípios de hierarquização e dedescentralização.

As vantagens da adoção destes princípios são, fundamentalmente:• facilidade de estudo e de implementação da rede a partir de elementos de base existentes, o

que permite a redução dos custos de instalação;• simplificação de sua operação em função da definição de regras formais;• garantia de confiabilidade de um sistema que seja aceitável, particularmente graças ao

encapsulamento das funções o que permite limitar a propagação de erros e facilitar amanutenção;

• garantia, pela modularidade, de um grau satisfatório de evolutividade e de extensibilidade darede;

• otimização de desempenho.

Todos estes aspectos nos conduzem a conceber uma arquitetura de comunicação como sendouma organização de software e hardware estruturada em níveis ou camadas.

1.5.3 A ESTRUTURAÇÃO EM CAMADAS

Os conceitos de hierarquia e descentralização podem ser empregados de diferentes formas, cadaum podendo implicar num tipo de rede particular. Em função desta provável multiplicidade, surgiu entãoa necessidade de uma normalização permitindo a conexão de diferentes classes de hardware.

Para possibilitar a normalização, foi necessário estabelecer um modelo teórico capaz derepresentar as relações entre as diferentes tarefas implementadas nos diferentes níveis hierárquicos. A

possibilidade de interconexão de um número qualquer de sistemas, ou seja, de conjuntos autônomos

podendo efetuar tarefas de tratamento ou de transmissão de informação, era uma característica essencial para o modelo a ser estabelecido.A figura 1.9 ilustra uma arquitetura hierarquizada em 4 camadas que permitirá introduzir o

conjunto de conceitos relacionados ao modelo estabelecido. O objetivo de cada camada é o oferecimentode um tipo de serviço a sua camada superior de forma a evitar que esta necessite conhecer certos aspectosde como este serviço é realizado. A camada n assume que a comunicação com a camada n de uma outramáquina existe, embora não seja direta. Para que esta comunicação exista, ela se serve de um conjunto deconvenções e regras que vão permitir gerenciar esta comunicação. A este conjunto de regras econvenções, dá-se o nome de protocolo. Como se pode ver na figura, não existe meio de comunicação


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direto entre as diferentes camadas (apenas o meio de transmissão na camada 1), o que significa que nãoexiste transferência direta de dados entre a camada n de uma máquina à camada n de outra máquina.

Na realidade, cada camada transfere os dados à camada imediatamente inferior até a camadamais baixa; o dado é então transmitido à outra máquina através do meio de transmissão. A comunicaçãoentre as camadas é vista então como uma comunicação virtual e é representada, na figura 1.9, pelas linhasligando cada par de camadas.

Figura 1.9 - Modelo hierarquizado em 4 camadas.

Cada camada comunica-se com as camadas adjacentes (acima ou abaixo) através de umainterface que define as informações que podem ser trocadas e os serviços que a camada inferior oferece àcamada superior.

Ao conjunto das camadas compondo uma rede dá-se o nome de arquitetura da rede, e asespecificações da arquitetura devem conter informações suficientes para permitir o corretodesenvolvimento da rede, tanto do ponto de vista do software quanto do hardware.

Mais detalhes relacionados ao projeto em camadas ou níveis e a nomenclatura utilizada parainterfaces, serviços e protocolos de comunicação serão abordados no capítulo 2.

Camada 4

Camada 3

Camada 2

Camada 1

Meio de Comunicação

Camada 4

Camada 3

Camada 2

Camada 1

Pro toco lo da Camada 4




SISTEMA BSISTEMA A

In ter face

3/4

Inter face

3/4

Inter face

2/3

Inter face

2/3

Inter face

1/2

Inter face

1/2


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Capítulo 2 - Conceitos Básicos do Software deRede

2.1 INTRODUÇÃO

Nas primeiras redes de computadores os aspectos relacionados ao hardware foram colocadoscomo prioridade e os aspectos de software em segundo plano. No entanto logo foi percebida afundamental importância dos mecanismos de software de uma rede, e, em função disto, os softwares derede são altamente estruturados. Os conceitos relacionados a esta estruturação são de vital importância

para a compreensão de todos os aspectos relacionados à arquitetura de redes como um todo.

2.2 HIERARQUIA DE PROTOCOLOSPara reduzir a complexidade do projeto, a maioria das redes foi organizada como uma série de

níveis ou camadas, que são colocadas uma sobre a outra. O número, o nome, o conteúdo e a função decada camada difere de uma rede para outra. Em todas as redes, no entanto, o objetivo de cada camada éoferecer determinados serviços para as camadas superiores, ocultando detalhes da implementação dessesrecursos.

Conforme já introduzido anteriormente, a figura 2.1 ilustra a arquitetura hierarquizada em 7camadas que permitirá introduzir o conjunto de conceitos relacionados a uma arquitetura multicamadas.Conforme já mencionado, o objetivo de cada camada é o oferecimento de um determinado serviço àscamadas superiores, utilizando-se, também dos serviços oferecidos pelas camadas inferiores, de forma aevitar que estas necessitem conhecer certos aspectos da implementação destes serviços.

A camada n assume a comunicação com a camada n de uma outra máquina. Para faze-lo, ela seserve de um conjunto de convenções e regras que vão permitir gerir esta comunicação. A este conjunto deregras e convenções, dá-se o nome de protocolo da camada n , ou, simplesmente, protocolo n.Basicamente, um protocolo é um conjunto de regras sobre o modo como se dará a comunicação entre as

partes envolvidas.As entidades representando camadas correspondentes em diferentes sistemas são denominadas

processos pares, ou entidades pares. Os processos pares vão se comunicar através dos protocolos. Comose pode ver na figura 2.1, não existe meio de comunicação físico entre as diferentes camadas o quesignifica que não existe transferência direta de dados entre a camada n de uma máquina à camada n deoutra máquina.

Cada camada transfere os dados à camada imediatamente inferior até a camada mais baixa; odado é então transmitido à outra máquina através do meio de transmissão. A comunicação entre ascamadas é vista como uma comunicação virtual e é representada, na figura 2.1, pelas linhas horizontais

entre as camadas. Cada camada comunica-se com as camadas adjacentes (acima e abaixo) através de umainterface, que define as operações elementares e os serviços que a camada inferior oferece à camadaconsiderada.

No momento da definição do número de camadas que vai compor uma rede e do papel que cadauma delas deve cumprir, uma tarefa importante será a definição completa das interfaces entre as camadase isto vai implicar que na definição do serviço oferecido por cada camada. Uma vantagem da corretadefinição das interfaces é a facilidade da introdução de modificações nas implementações das diferentescamadas; os mecanismos podem ser implementados de forma diferente, desde que as interfacesanteriormente definidas sejam respeitadas.


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Camada 7

Camada 6

Camada 5

Camada 4

Camada 3

Camada 2

Camada 1

Meio de Transmissão

Camada 7

Camada 6

Camada 5

Camada 4

Camada 3

Camada 2

Camada 1

Protocolo da Camada 7







SISTEMA BSISTEMA A

Interface

6/7

Interface

6/7

Interface

5/6

Interface

5/6

Interface

4/5

Interface

4/5

Interface

3/4

Interface

3/4

Interface

2/3

Interface

2/3

Interface

1/2

Interface

1/2

Figura 2.1 - Modelo hierarquizado em 7 camadas.

Ao conjunto das camadas compondo uma rede dá-se o nome de arquitetura da rede, e asespecificações da arquitetura devem conter informações suficientes para permitir o corretodesenvolvimento da rede, tanto do ponto de vista do software quanto do hardware. Por outro lado, osdetalhes de implementação dos mecanismos em cada camada, assim como as especificações detalhadasdas interfaces não fazem parte da definição da arquitetura da rede.

A figura 2.2 permite ilustrar o processo da comunicação no contexto de uma arquiteturamulticamadas. O processo da camada 7 gera uma mensagem M, que será transmitida desta à camadainferior segundo o que estiver definido pela interface das camadas 6/7.

Considera-se que esta transmissão introduz algumas modificações na mensagem (por exemplo,uma compressão de dados), o que justifica uma nova representação desta por m. Esta mensagem é, por sua vez, transmitida à camada 5, através da interface das camadas 5/6. No exemplo considerado na figura,a mensagem não sofre modificações, mas esta camada efetua o controle de fluxo. A camada 4 éresponsável pela decomposição da mensagem a fim de respeitar as restrições de tamanho que podem ser impostas pelas camadas inferiores. Assim, m é decomposta em M1 e M2.

Para isto, é inserido também na mensagem (ou nas partes da mensagem) um cabeçalho H4contendo uma informação de controle, como, por exemplo, um número de ordem que vai permitir,

posteriormente na camada 4 do sistema destinatário, a reconstrução da mensagem a partir das partesrecebidas. Outras informações podem ainda estar contidas neste cabeçalho, como, por exemplo, otamanho da mensagem ou o instante de envio.

Na camada 3, é feita a escolha das linhas de saída e um novo cabeçalho, H3, é introduzido àsmensagens. Na camada 2, além de um cabeçalho, H2, é introduzido também um sufixo, T2, contendoinformações específicos a esta camada, por exemplo, controle de erro. A mensagem é finalmente entregueà camada 1 para emissão via meio físico.

No sistema destinatário, o processo inverso acontece, sendo que as mensagens vão subindo, decamada em camada, e os cabeçalhos retirados nas camadas respectivas, de modo a evitar que estes sejamtransferidos às camadas que não lhes dizem respeito.

Um aspecto importante mostrado na figura 2.2 é o da comunicação virtual ocorrendo entre asdiferentes camadas pares. As camadas em cada nível possuem uma visão da comunicação horizontal,mesmo se as mensagens são na realidade transmitidas às camadas inferiores pertencentes ao mesmosistema.


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M

m

m

H4 M2H4 M1

H3 H4H4 M1H3 M2

H2 H3H4 M1H3 H4H2 M2

M

m

m

H4 M2H4 M1

H3 H4H4 M1H3 M2

H2 H3H4 M1H3 H4H2 M2

Protocolo

da Camada 2

Protocolo

da Camada 3

Protocolo

da Camada 4

Protocolo

da Camada 5

Protocolo

da Camada 6

Protocolo

da Camada 7

TRANSMISSOR RECEPTOR

Figura 2.2 - Ilustração da comunicação virtual numa arquitetura de rede.

2.3 DIFERENÇAS ENTRE SERVIÇO E PROTOCOLO

Embora sejam freqüentemente confundidos, serviço e protocolo são dois conceitos distintos. Oimportante nesta distinção é de poder estabelecer a relação entre os dois conceitos.

O SERVIÇO corresponde a um conjunto de operações que uma camada é capaz de oferecer àcamada imediatamente superior. Ele define o que uma camada é capaz de executar sem se preocupar coma maneira pela qual as operações serão executadas. O serviço está intimamente relacionado com asinterfaces entre duas camadas, sendo a inferior a fornecedora do serviço e a superior a usuária deste.

O PROTOCOLO define um conjunto de regras que permitem especificar aspectos da realização doserviço, particularmente, o significado dos quadros, pacotes ou mensagens trocadas entre as entidades

pares de uma dada camada. A nível de uma determinada camada, o protocolo pode ser mudado sem problemas, desde que as interfaces com a camada superior e inferior não sejam alteradas, ou seja, que elascontinuem a ter a mesma visibilidade no que diz respeito aos serviços realizados pela camada que foialterada; isto corresponde, na verdade, a um certo desacoplamento entre os conceitos de serviço e

protocolo.

2.4 QUESTÕES DE PROJETO RELACIONADAS ÀS CAMADAS

Algumas questões de projeto fundamentais das redes de computadores estão presentes emdiversas camadas. A seguir serão discutidas as mais importantes.

Todas as camadas precisam de um mecanismo para identificar os transmissores e receptores.Como em geral uma rede tem muitos computadores, e alguns deles têm vários processos, é necessário ummeio para que um processo de uma máquina especifique com quem ele deseja se comunicar. Como podehaver vários destinos, há a necessidade de se criar uma forma de endereçamento para definir o destinoespecífico.

Outra preocupação recai sobre as direções do tráfego. Em alguns sistemas, os dados sãotransferidos em apenas uma direção. Em outros, eles podem ser transferidos em ambas as direções, masnão simultaneamente. Também é possível transmitir em ambas as direções simultaneamente. O protocolotambém deve determinar o número de canais lógicos correspondentes à conexão e quais são as suas


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prioridades. Muitas redes oferecem pelo menos dois canais lógicos por conexão, um para dados normais eoutro para dados urgentes.

O controle de erro é uma questão importante, pois os circuitos de comunicação física podemnão ser perfeitos. Muitos códigos de detecção e correção de erros são conhecidos e as partes envolvidasem uma conexão devem chegar a um consenso quanto ao que deve ser usado. Além disso, o receptor deveter alguma forma de informar ao emissor as mensagens que foram recebidas corretamente e as que nãoforam.

Nem todos os canais de comunicação preservam a ordem das mensagens enviadas por eles.Para lidar com uma possível perda de seqüência, o protocolo deve fazer uma provisão explícita para que oreceptor possa remontar adequadamente os fragmentos recebidos. Uma solução óbvia é numerar os

fragmentos, mas isso ainda deixa aberta a questão do que deve ser feito com os fragmentos que chegamfora de ordem ou, pior ainda, o que fazer quando algum ou alguns se perdem.Um problema que deve ser resolvido em diversas camadas é a falta de habilidade de todos os

processos para aceitarem arbitrariamente mensagens longas. Esta propriedade nos leva ao uso demecanismos para desmontar, transmitir e remontar mensagens. Uma questão é o que fazer quandoestas unidades se tornam tão pequenas que o envio de cada uma em separado se torna ineficiente. Nessecaso a solução é reunir as pequenas mensagens com um destino comum em uma grande mensagem edesmembrá-la na outra extremidade.

Uma outra questão que afeta todas as camadas diz respeito à velocidade dos dados, particularmente quando o emissor é mais rápido que o receptor. Várias soluções foram adotadas e serãodiscutidas posteriormente. Algumas delas trabalham com a possibilidade do receptor determinar dinamicamente sua situação atual. Outras limitam o emissor a uma taxa de transmissão predeterminada.

Quando for inconveniente, ou algumas vezes caro, configurar uma conexão para cada par de

processos de comunicação, a camada inferior pode usar a mesma conexão para diversas conversações nãorelacionadas. Desde que seja feita de modo transparente, a multiplexação e a demultiplexação deconexões podem ser executadas por qualquer camada.

Quando houver vários caminhos entre a origem e o destino, um deles deve ser escolhido.Algumas vezes essa decisão deve ser dividida em duas ou mais camadas. Para enviar dados de Londres

para Roma, por exemplo, devem ser tomadas duas decisões: uma de alto nível, decidindo sobre o trajeto aser escolhido (via França ou Alemanha, com base nas respectivas leis de privacidade) e uma de baixonível, escolhendo sobre quais dos circuitos físicos disponíveis os dados serão transmitidos (com base nacarga de tráfego atual).

2.5 INTERFACES E SERVIÇOS

Conforme já mencionado, a função de cada camada é oferecer serviços para a camada acimadela. Os elementos ativos de uma camada, ou seja, os processos que a implementam são chamadosentidades. Estas podem ser entidades de software ou de hardware. Às entidades localizadas emdiferentes sistemas, mas associadas a um mesmo nível (ou camada), dá-se o nome de entidades pares. Asentidades recebem também uma denominação complementar em função da camada à qual elas estãorelacionadas — por exemplo, entidade de aplicação, entidade de transporte, entidade de enlace, entreoutras.

As entidades de uma camada N (ou entidades N) implementam um serviço que é utilizado pelacamada N+1. Assim, a camada N é dita ser um fornecedor de serviço e a camada N+1 é denominadausuária de serviço.

Por outro lado, a camada N poderá utilizar os serviços da camada imediatamente inferior, acamada N-1, para oferecer os serviços à camada superior. Ela pode ainda oferecer diferentes categorias

(ou classes) de serviços: serviços mais eficientes e mais “caros” ou serviços lentos e “econômicos”.Os serviços oferecidos por uma camada são acessíveis em pontos de acesso aos serviços, ou

SAP (Service Access Point ). Os SAPs da camada N são os lugares onde a camada N+1 poderá ter acessoaos serviços oferecidos, cada SAP sendo identificado por um endereço único. Por exemplo, os SAP deuma rede telefônica são as tomadas às quais podem ser conectados os aparelhos telefônicos e seusendereços são os números de telefone associados à tomada considerada.

Para que duas camadas possam trocar informações, existe uma série de regras a seremrespeitadas, definidas pela interface. Através de uma interface, a camada N+1 envia uma unidade dedados de interface, ou IDU ( Interface Data Unit ) à entidade da camada N pelo SAP. A IDU é composta


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de uma parte denominada unidade de dados de serviço, ou SDU (Service Data Unit ) e de outrasinformações de controle. A SDU é a informação transmitida via rede à entidade par e, em seguida, àcamada N+1. A informação de controle é utilizada para auxiliar a gestão da camada inferior em seutrabalho (por exemplo, o número de bytes compondo a SDU correspondente).

Para transmitir uma SDU, a entidade da camada N pode fragmentá-la em diversas partes, e cada parte vai receber um cabeçalho, sendo enviada como uma unidade de dados de protocolo, ou PDU( Protocol Data Unit ). Os cabeçalhos de PDU são utilizados pelas entidades pares para o transporte do

protocolo. Elas identificam a PDU contendo os dados e aquelas contendo informações de controle(números de seqüência, contagens, etc). A figura 2.3 ilustra o processo descrito. As PDUs recebemnormalmente uma denominação segundo a camada à qual estão associadas. Por exemplo, as PDUs deaplicação são ditas APDU, assim como as de apresentação são as PPDU, as de sessão SPDU, e assim por diante.

ICI SDU

ICI SDU SDU

SAP

Camada

N+1

Camada

N

Interface

Cabeçalho

N-PDU

IDU

Figura 2.3 - Ilustração dos diferentes conceitos associados a interface entre camadas.

2.6 SERVIÇOS ORIENTADOS À CONEXÃO E SEM CONEXÃO

As camadas de uma arquitetura de rede podem oferecer diferentes classes de serviços às camadas

superiores. Estes serviços podem ser orientados a conexão ou não orientados a conexão (tambémchamada sem conexão). No que diz respeito ao serviços orientados à conexão, podemos citar como exemplo típico o

sistema telefônico. Para que seja possível falar com alguém no telefone é necessário, inicialmente, tirar ofone do gancho, digitar (ou discar) um número, esperar que o interlocutor atenda, falar com a pessoa que

precisamos e, finalmente, desligar.Este é o princípio de base de um serviço orientado conexão:

• estabelecimento da conexão,• utilização do serviço (ou enviar mensagem) e• término da conexão.

O aspecto principal da conexão é o fato de que ela funciona como uma espécie de canal virtualatravés do qual irão transitar as mensagens envolvidas na realização do serviço.

Já os serviços sem conexão são estruturados como o sistema postal, onde cada mensagem (oucarta, se consideramos o exemplo citado) contém o endereço do destinatário e é encaminhada no sistema,independente de outras. O princípio básico é então apenas: enviar mensagem.

Normalmente, se duas mensagens são enviadas a um mesmo destinatário, a primeira a ser enviada deve ser a primeira a ser recebida. Por outro lado, neste modo de serviço pode ocorrer que umamensagem seja atrasada fazendo com que a segunda mensagem seja recebida primeiro. Já nos serviçosorientados conexão, isto jamais poderá acontecer.

Cada serviço é caracterizado por uma qualidade de serviço. Tendo em vista o parâmetroqualidade, os serviços podem ser divididos em confiável e não-confiável. Um serviço dito confiável éaquele em que os dados não podem ser jamais perdidos, ou melhor, jamais podem deixar de realizar o


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serviço adequadamente e, por vezes, algum mecanismo de recuperação em caso de falha deve ser utilizado. Serviços não confiáveis são aqueles onde, eventualmente, dados podem ser perdidos e nãorecuperados pela camada em questão.

Normalmente, a implementação de serviços confiáveis é feita através da definição de mensagensde reconhecimento enviadas pelo receptor, para cada mensagem recebida do emissor. Este processo,embora extremamente benéfico, introduz uma lentidão na transferência de dados, o que significa que nemsempre ele é desejável num sistema.

Os serviços confiáveis orientados conexão apresentam duas variantes. No primeiro caso, asfronteiras das mensagens são sempre preservadas. Se duas mensagens de 1 Kbytes são enviadas, elaschegarão sob a forma de duas mensagens de 1 Kbytes e nunca como uma única mensagem de 2 Kbytes. Já

na segunda variante, se uma mensagem de 2 Kbytes é recebida, não há como identificar se ela foi enviadarealmente como uma única mensagem de 2 Kbytes, como duas mensagens de 1 Kbytes, ou ainda como2048 mensagens de 1 byte. Porém em algumas aplicações, é necessário resguardar as fronteiras entre asmensagens enviadas; por exemplo, no caso do envio de um documento a uma impressora é interessante

poder preservar as fronteiras entre as páginas. No que diz respeito aos dois tipos de serviços (orientados conexão e sem conexão), nem todas as

aplicações requerem a utilização de conexão. Um exemplo disto pode ser o de uma aplicação de correioeletrônico. Pode-se imaginar uma aplicação de correio em que o usuário não se interesse noestabelecimento de conexão e tampouco a uma confiabilidade de 100% no que diz respeito à chegada dasmensagens. Os serviços sem conexão e não-confiáveis são denominados serviços de datagrama.

Existem casos, porém, em que, apesar de não necessitar o estabelecimento de conexão, aconfiabilidade é essencial. O serviço utilizado neste caso é dito de datagrama com reconhecimento. Oserviço de pedido-resposta já é um outro tipo de serviço no qual o emissor envia um datagrama contendo

um serviço e o receptor envia um outro contendo a resposta a este pedido.A tabela a seguir ilustra os diferentes serviços com e sem conexão, com exemplos de aplicaçãodestes serviços.

SERVIÇOS MODALIDADES EXEMPLOTransferência confiável de mensagens com conexão seqüência de páginasTransferência confiável de bytes com conexão login remotoTransferência não confiável com conexão voz digitalizadaDatagrama não confiável sem conexão correio eletrônicoDatagrama confiável sem conexão correio eletrônico registradoPedido-Resposta sem conexão consulta a bases de dados

2.7 PRIMITIVAS DE SERVIÇO

Um serviço é definido formalmente por um conjunto de primitivas (ou operações) disponíveis aum usuário ou a outras entidades para o acesso àquele serviço. Estas primitivas permitem indicar a ação aser executada pelo serviço ou ainda um pedido de informação sobre uma ação executada previamente.

As primitivas de serviço são divididas em quatro classes: pedido (request ), indicação(indication), resposta (response) e confirmação (confirm).

A tabela a seguir mostra o significado de cada uma destas primitivas no que diz respeito àexecução de um serviço.

PRIMITIVA SIGNIFICADOrequest Pedido enviado por uma entidade que solicita um serviçoindication Através dela, a entidade par é informada de uma solicitação de serviçoresponse A entidade par responde ao pedido de serviçoconfirm A entidade solicitante é informada do resultado do serviço


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Uma analogia com o sistema telefônico pode ser de grande utilidade para que se entenda autilização dessas primitivas. Nesse caso considere os procedimentos necessários para você telefonar à tia

Nena e convidá-la para tomar um chá em sua casa:

AÇÃO PRIMITIVA1 Você disca o número do telefone da casa de sua tia. CONNECT.request2 O telefone dela toca. CONNECT.indication3 Ela tira o telefone do gancho. CONNECT.response4 Você ouve o “alô” dela. CONNECT.confirm.5 Você a convida para o chá DATA.request

6 Ela ouve o convite DATA.indication7 Ela diz que terá o maior prazer em ir a sua casa. DATA.request8 Você ouve a aceitação DATA.indication9 Você coloca o telefone no gancho DISCONNECT.request

10 Ela ouve você colocar o telefone no gancho e faz o mesmo. DISCONNECT.indication

A figura 2.4 mostra essa mesma seqüência de procedimentos como uma série de primitivas deserviço, inclusive a confirmação final de encerramento de conexão. Cada procedimento envolve ainteração entre duas camadas de um dos computadores. Cada request ou response provoca logo emseguida um indication ou confirm do outro lado.

Camada N+1 1 5 9Camada N 4 8

Você

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Tempo

Camada N+1 3 7

Camada N 2 6 10Tia Nena

Figura 2.4 – Mapeamento das primitivas do convite para tomar chá. Os números próximos à extremidadedas setas fazem referência às primitivas de serviço utilizadas no exemplo anterior.

Vamos agora considerar o exemplo de utilização das primitivas de serviço para o seguinte

serviço orientado à conexão com oito primitivas de serviço:CONNECT.request – Solicita o estabelecimento de conexão.CONNECT.indication – Sinalização da parte para a qual foi feita a chamada.CONNECT.response – Usada pelo receptor da chamada para aceitá-la (ou rejeitá-la).CONNECT.confirm – Permite que a origem da chamada saiba que ela foi aceita.DATA.request – Solicita o envio de dados.DATA.indication – Sinal de chegada de novos dados.DISCONNECT.request – Solicita o encerramento de uma conexão.DISCONNECT.indication – Sinal do par sobre a solicitação.

Para requisitar o estabelecimento de uma conexão, a entidade que quer iniciar o diálogo enviauma primitiva de serviço de pedido de abertura de conexão, CONNECT .request que vai se refletir, na

entidade destinatária, por uma primitiva de indicação, CONNECT.indication.A entidade que recebeu a indicação vai enviar uma primitiva de resposta, CONNECT .response,

para informar se esta aceita ou não a conexão. Finalmente, a entidade emissora vai saber do resultado doseu pedido pela recepção de uma primitiva de serviço de confirmação, CONNECT.confirm.

Parâmetros podem ser associados às primitivas; no caso do serviço de conexão, por exemplo, os parâmetros podem especificar os seguintes aspectos relacionados à conexão desejada: a máquina com aqual se deseja dialogar, o tipo de serviço desejado, o tamanho máximo das mensagens, etc... Se a entidadeinvocada não está de acordo com os parâmetros contidos na primitiva de indicação recebida, esta pode


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fazer uma contra-proposta, através dos parâmetros da primitiva de resposta, que será transmitida àentidade emissora através dos parâmetros da primitiva de confirmação.

Os serviços podem ser de dois tipos: confirmados ou não-confirmados. No caso dos serviçosconfirmados, as quatro classes de primitivas são definidas, ou seja, pedido (request ), indicação(indication), resposta (response) e confirmação (confirm). Isto significa que a entidade que requisitou oserviço terá sempre uma informação sobre as condições de realização deste e até se este foi realizado comsucesso ou não.

Nos serviços não-confirmados, apenas as duas primeiras classes de primitivas são utilizadas, ouseja, pedido (request ) e indicação (indication). Neste tipo de serviços, a entidade emissora do pedido nãoreceberá nenhuma informação sobre as condições de realização do serviço requisitado, nem mesmo se

este foi realizado. A tabela a seguir apresenta um conjunto de primitivas associadas a um serviçoorientado à conexão.

PRIMITIVA SIGNIFICADOCONNECT.request pedido de estabelecimento de uma conexãoCONNECT.indication indicação à entidade invocadaCONNECT.response utilizada para indicar a aceitação ou não da conexãoCONNECT.confirm informa à entidade emissora se a conexão é aceita

DATA.request pedido de envio de dados DATA.indication sinalização da chegada de dados DISCONNECT.request pedido de término da conexão DISCONNECT.indication indicação do pedido à entidade par

Neste exemplo, CONNECT é um serviço confirmado enquanto os serviços DATA eDISCONNECT são não-confirmados. A figura 2.5 permite ilustrar as trocas de primitivas de serviçoentre as camadas no caso de um serviço confirmado. O exemplo utilizado é o serviço CONNECT .

SISTEMA A

Camada N+1

Camada N

connec t_ reques t

connect .conf i rm

SISTEMA B

Camada N+1

Camada N

connect . indicat ion

connec t . r esponse

Figura 2.5 - Ilustração da troca de primitivas de serviço (confirmado).


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Capítulo 3 - Arquiteturas de Redes

3.1 INTRODUÇÃO

A solução para o compartilhamento de recursos físicos e lógicos juntamente com a vantagem dese ter um sistema descentralizado foi alcançada através da interconexão das CPUs entre si. É a isso que se

propõem as redes de computadores. A solução para a comunicação de computadores em termos de longadistância foi a tecnologia de comutação de pacotes, que solucionou o problema da linha telefônicadedicada. Para pequenas distâncias a solução foi a implantação de redes locais.

De uma forma geral, o objetivo de uma rede é tornar disponível a qualquer usuário todos os programas, dados e outros recursos independente de suas localizações físicas. Outro objetivo é proporcionar uma maior disponibilidade e confiabilidade, dada a possibilidade de migração para outroequipamento quando a máquina sofre alguma falha. O uso de uma rede de computadores proporciona um

meio de comunicação poderoso devido a sua velocidade e confiabilidade.

3.2 CLASSIFICAÇÃO DAS REDES DE COMPUTADORES

Uma rede de computadores é formada por um conjunto de módulos processadores capazes detrocar informações e compartilhar recursos, interligados por um sistema de comunicação. O sistema decomunicação vai se constituir de um arranjo topológico interligando os vários módulos processadoresatravés de enlaces físicos, através dos meios de transmissão, e de um conjunto de regras com fim deorganizar a comunicação, os protocolos de comunicação.

3.2.1 REDES LOCAISRedes Locais (LANs - Local Area Networks) são redes privadas contidas em um prédio ou

campus universitário, que tem alguns quilômetros de extensão. As redes locais foram definidas eutilizadas inicialmente nos ambientes de institutos de pesquisa e universidades. Elas surgiram paraviabilizar a troca e o compartilhamento de informações e dispositivos periféricos preservando aindependência das várias estações de processamento e permitindo a integração em ambientes de trabalhocooperativo.

São amplamente utilizadas para interconectar computadores pessoais e estações de trabalho emescritórios e instalações industriais. Nas redes locais as distâncias entre os módulos processadores seenquadram na faixa de alguns metros a alguns poucos quilômetros. Esta definição é bastante vaga,embora as limitações associadas às técnicas utilizadas em redes locais não imponham limites a essasdistâncias.

As redes locais têm três características que as diferem das demais: tamanho, tecnologia detransmissão e topologia. Elas geralmente tem um tamanho restrito. Em algumas topologias o pior tempode transmissão é conhecido e isto permite a utilização de determinados tipos de aplicações.

Nas LANs tradicionais os computadores são interconectados por cabos ou através deequipamentos tipo hub. Neste tipo de rede as velocidades geralmente variam de 10 a 100 Mbps, há um

baixo retardo e pouquíssimos erros de transmissão são encontrados. As LANs mais modernas podemoperar em velocidades ainda mais altas, alcançando Gbps.

Este tipo de rede apresenta como topologias lógicas mais usadas o barramento e o anel e comotopologias físicas a árvore e a estrela. É fato que em qualquer tipo de rede duas ou mais estações podem


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necessitar enviar informações pelo meio de transmissão no mesmo instante. Analisando estes arranjostopológicos verificamos que há a necessidade de um mecanismo de arbitragem para determinação de qualestação poderá transmitir de forma a não existência de conflitos e garantia de tempo para todas asestações que têm d

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