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Fundamentos de Redes de Dados e Comunicação
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1 REDES DE COMPUTADORES
1.1 Introdução
A indústria da informática teve um progresso espetacular em um curto período de tempo e as redes de computadores também fazem parte desse crescimento. Hoje, com um simples clique de um botão, as organizações, com suas fi liais espalhadas pelo mundo, podem comunicar-se e obter informações sobre desempenho, relatórios de produção, estoque e clientes, independente da sua localização.
Durante a primeira década dos sistemas computacionais, os computadores eram altamente centralizados, as empresas e universidades possuíam apenas um ou dois computadores e as grandes instituições algumas dezenas. Todos eles eram isolados, não existia nenhuma comunicação entre eles.
Com o avanço da comunicação, a forma com que os sistemas computacionais operavam foi totalmente modifi cada, a visão que os usuários tinham sobre os grandes centros de computação, em que os trabalhos eram levados para serem processados, tornou-se obsoleta, sendo substituídos pelas redes de computadores. Agora, os trabalhos são processados por um
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grande número de computadores separados fi sicamente e totalmente interligados.
Em termos práticos, uma rede de computador é formada por dois ou mais computadores interligados, podendo existir uma troca de informação entre eles. Essa ligação não precisa ser feita obrigatoriamente através de um fi o, pois existem diversas tecnologias que permitem a troca de dados, como infravermelho, microondas, satélite etc.
1.2 Redes de Computadores em aplicações comerciais
Atualmente, as empresas possuem um grande número de computadores para desempenhar os mais diversos tipos de aplicações, como monitoramento, controle de produção e estoque, geração de planilhas e relatórios etc. Inicialmente, cada processo era feito de modo isolado, não existia nenhuma forma de correlacionamento de informações e compartilhamento de recursos. Foi observado então, que com a interligação desses computadores espalhados pelas empresas, era possível comunicar os mais diversos sistemas, além de compartilhar recursos como impressores e drivers de cd-rom, o que permite que todos os usuários da rede utilizem esses recursos.
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Na maioria dos casos em que as empresas implantam em sua estrutura uma rede de computadores, elas sempre obtêm economia com o compartilhamento de recursos. Como exemplo, imagine a situação em que existem várias impressoras individuais, sendo estas substituídas por uma única impressora de grande porte, com essa troca, a manutenção é facilitada, permite o acesso de um número maior de usuários, além de possibilitar o controle do número de impressões.
Tão importante quanto o compartilhamento de recursos é o compartilhamento de informações. As grandes instituições possuem fi liais espalhadas por regiões diferentes e precisam acessar informações que são comuns a todas, como registro de clientes, estoque de produtos, pedidos, etc. O fato de os usuários estarem em países diferentes, não impede que eles acessem esses dados como se eles estivessem armazenados em seu computador local. Para permitir esta facilidade de acesso, são utilizados servidores de grande porte para o armazenamento de informações e os usuários, com suas estações de trabalho, acessam esses dados remotamente. Essa comunicação entre computadores clientes e servidores é feita através das redes de computadores.
Temos como exemplo de um modelo cliente/servidor, o acesso a uma página na internet, onde o usuário é o cliente que solicita através do seu navegador Web, um site qualquer e o servidor remoto encarrega-se de responder à solicitação do cliente. Observe que nesse modelo existem dois processos envolvidos, formado pelo computador cliente e o computador servidor.
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Além do compartilhamento de recursos e informações, as redes de computadores podem oferecer um efi ciente meio de comunicação entre seus usuários. Muitas empresas utilizam o correio eletrônico (e-mail) para troca de informações, evitando o deslocamento e gasto com ligações.
Percebemos então, o enorme ganho que o meio corporativo obteve com a implantação das redes de computadores. Seus dados e dispositivos agora podem ser compartilhados e acessados por fi liais em qualquer parte do mundo, além de promover uma melhor comunicação entre seus usuários.
1.3 Redes de computadores domésticas
No início, talvez o maior objetivo para se ter um computador em casa fosse utilizar os aplicativos de texto e os jogos. Atualmente, esse pensamento mudou radicalmente com a chegada da internet, é permitido ao usuário doméstico acessar informações remotas, comunicação entre usuários, jogos on-line e o correio eletrônico. Com a internet, os usuários podem obter informações dos mais variados gêneros como esporte, arte, ciência, automóveis, história, dentre muitos outros. Os portais de informação atualizam seus artigos minuto a minuto, proporcionando aos seus usuários informações recentes. Além de ler as notícias, como se estivesse lendo um jornal on-line, o leitor pode acompanhar debates, julgamentos, resultados de jogos, eventos importantes, tudo em tempo real.
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Todas as aplicações que citamos anteriormente envolvem a interação entre o usuário e um banco de dados. Outra categoria de utilização de redes de computadores é a comunicação entre os usuários, comandada principalmente pelo e-mail que já faz parte do dia-a-dia das pessoas e é utilizado por milhões de pessoas em todo o mundo. A troca de mensagens instantâneas como MSN Messenger, ICQ, Google Messenger virou uma febre entre os jovens, as salas de bate-papo são muito visitadas por pessoas que desejam discutir assuntos em comum. Essa interatividade entre os usuários, proporcionada pela grande rede de computadores é que faz da internet um sucesso.
Por fi m, há o entretenimento que é composto principalmente pelos jogos em rede e jogos on-line. Os jogos em redes estão perdendo espaço para os on-line, principalmente pela sua limitação de estrutura física, pois os jovens montam suas “redes caseiras” formadas por dois ou mais computadores e fi cam restritos à estrutura e ao espaço físico limitado. Com os on-line, basta apenas estar conectado à internet, em que é possível acessar jogos de simulação em tempo real formados por equipes de vários participantes, onde o usuário pode competir com jogadores de todas as partes do mundo.
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As redes de computadores tornaram-se extremamente importantes para as pessoas que se encontram em regiões distantes, pois propiciam a elas serviços que são oferecidos às pessoas das grandes cidades, e sem dúvida a diversidade do uso das redes de computadores crescerá rapidamente no futuro, e chegará onde ninguém é capaz de prever agora.
2 TOPOLOGIAS DE REDES
As redes de computadores de modo geral estão presentes em nosso dia-a-dia, estamos tão acostumados a utilizá-las que não nos damos conta da sofi sticação e complexidade da estrutura, que mantém os dados e as informações ao nosso redor.
A maneira com que as redes de computadores são interligadas é um ponto importante, pois dispositivos podem ser interconectados de várias formas envolvendo tanto o ponto de vista físico, como o lógico. A topologia física refere-se ao layout físico e ao meio de conexão dos dispositivos de redes, ou seja, como eles são conectados, e esses dispositivos que formam a estrutura de uma rede são chamados de nós ou nodos. A topologia lógica é a forma com que os nós se comunicam através dos meios de transmissão.
As redes são compostas por arranjos topológicos interligados, cuja principal fi nalidade, a economia de recursos, pois com suas estruturas o compartilhamento e o processamento individual são distribuídos para todos, o que torna as informações ao alcance de todos os usuários que estão conectados.
2.1 Topologias Físicas
2.1.1 Ponto a Ponto
É a topologia mais simples e pode ser representada por dois computadores interligados entre si, através de um meio de
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transmissão qualquer. A topologia ponto a ponto é a base para a formação de novas topologias, com a inclusão de outros nós em sua estrutura.
2.1.2 Barramento
No barramento, todos os nós estão ligados ao mesmo meio de transmissão, onde o tempo e a freqüência são importantes para a transmissão dos dados. Todos os nós que estão ligados à barra, podem “ouvir” as informações que estão sendo transmitidas, o que facilita o uso de aplicações que necessitam da difusão de mensagens para múltiplas estações.
Para controlar o acesso das estações ao barramento, existem dois modos de controle, o centralizado que é um nó especial na rede que determina ou não o direito de um nó acessar o barramento, e o descentralizado em que o controle de acesso é distribuído entre os nós.
O desempenho da topologia em barra é determinado pelo número de estações conectadas, meios de transmissão utilizados, tráfego, entre outros fatores.
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2.1.3 Anel ou Ring
A topologia em anel é formada por nós conectados através de um percurso fechado, onde o sinal circula na rede passando por cada estação. Essas estações fazem o papel de repetidoras e retransmitem o sinal até que o destinatário seja encontrado.
É capaz de transmitir e receber informações em ambos os sentidos, o que torna os protocolos de entrega de mensagens aos destinatários, menos sofi sticados. Infelizmente essa topologia é pouco tolerável à falha, sendo complicado a implantação de detecção de erros, que podem fazer com que uma mensagem circule eternamente no anel. Para contornar esse tipo de problema, uma estação pode iniciar o anel, monitorar o envio de pacotes e diagnosticar o funcionamento da rede, essa estação monitora pode ser dedicada ou então cada estação assume a monitoria por um determinado período de tempo.
2.1.4 Estrela
A topologia em estrela é formada por diversas estações conectadas a um dispositivo central e toda a comunicação é supervisionada por esse nó central.
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A unidade central tem o poder de determinar a velocidade de transmissão entre o transmissor e o receptor, e converter sinais transmitidos por protocolos diferentes, o que permite a comunicação entre redes de fabricantes distintos.
As falhas em estações ou na ligação entre a estação e o nó central, deixam de fora apenas o nó que está envolvido na ligação, mas se a falha ocorrer no nó central, todo o sistema fi cará fora do ar. Como solução para esse tipo de problema, teríamos a replicação de estações centrais, só que os custos aumentariam bastante, o que limita a implantação dessa topologia.
O seu desempenho está totalmente ligado à unidade central, pois depende do tempo de que ela necessita para o processamento e o encaminhamento de mensagens. Apesar de todos os seus problemas, essa topologia permite um melhor controle da rede e a maioria dos sistemas de redes implementam essa confi guração.
2.1.5 Árvore
É equivalente a várias redes estrelas interligadas entre si, essa ligação é feita através dos seus nós centrais. É utilizada principalmente na ligação de Hub`s e repetidores, conhecida também como cascateamento.
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2.1.6 Estrutura Mista ou Híbrida
É uma mistura de topologias, que tem como características as ligações ponto a ponto e multiponto e com isso se obtém redes complexas proporcionando um maior número de recursos. A estrutura mista pode conter a topologia anel, estrela, barra etc.
2.1.7 Grafo (Parcial)
A topologia em grafo engloba características de várias topologias, e cada nó da rede possui uma rota alternativa que pode ser usada em caso de falha ou congestionamento. Essas rotas são traçadas por nós, que têm a função de rotear endereços que não pertencem a sua rede.
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2.1.8 Comparativo entre as topologias mais conhecidas.
Topologias Vantagens Desvantagens
Estrela - Monitoramento - Instalação simples
- Custo de instalação - Muito cabeamento
Barramento - Estrutura simples- Pouco cabeamento
- Lentidão causada pelo uso intenso
- Difi culdade no isolamen-to de problemas
Anel- Instalação simples- Desempenho
uniforme
Difi culdade em isolar problemas
- Se um nó parar, todos param
2.2 Topologias Lógicas
Como falamos anteriormente as topologias lógicas signifi cam a forma com que os nós se comunicam através dos meios físicos. Os dois tipos mais comuns de topologias lógicas são o Broadcast e a passagem de Token.
Na topologia de Broadcast o nó envia seus dados a todos os nós espalhados pela rede. Não existe nenhum tipo de ordem para este envio, o único tipo de ordem é: o primeiro a chegar é o primeiro a usar. A Ethernet funciona dessa forma.
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2.2.1 Ethernet
A Ethernet é a tecnologia mais utilizada em redes locais, ela pode ser encontrada em topologias do tipo estrela que é composta por ligações utilizando cabeamento par trançado e uma unidade central e em topologias do tipo barramento com a utilização de cabo coaxial.
Nesse tipo de rede, a estação que deseja transmitir “ouve” o tráfego na rede, se não “ouvir” nada, ela transmite a informação. Se duas estações transmitirem informações ao mesmo tempo, ocorrerá uma colisão de pacotes, cada estação será alertada sobre a colisão e elas esperarão um período aleatório para transmitirem novamente. Esse método é conhecido como CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection).
A segunda topologia lógica é a passagem de Token, onde um sinal de Token controla o envio de dados pela rede. Um exemplo de rede que utiliza a passagem de token é a Token Ring.
2.2.2 Token Ring
O método de acesso Token Ring utiliza a topologia em anel para transmitir dados entre duas estações. A estação transmissora necessita obter um sinal (Token), que concede à estação o direito de transmissão e percorre a rede de nó em nó. Apenas um Token está disponível na rede, o que faz com que uma única estação acesse a rede por vez, evitando-se colisões de pacotes.
Seu funcionamento é feito da seguinte forma:
1. O sinal de Token circula no anel;
2. O emissor espera a chegada do Token;
3. O emissor captura o Token e transmite os dados;
4. O receptor recebe os dados e libera o Token.
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3 TIPOS DE TRANSMISSÃO
3.1 Sinais Elétricos
Os sinais elétricos são tensões que variam ao longo do tempo, sendo que algumas delas são úteis, pois transmitem alguns tipos de dados, como os que trafegam nas redes de computadores. Essas tensões podem ser classifi cadas como sinais analógicos e digitais.
3.1.1 Sinais Digitais
A grande maioria dos sinais elétricos utilizados na computação são digitais, e os que são analógicos são digitalizados para que depois sejam processados e armazenados. Os sinais digitais assumem uma infi nidade de valores, mas não são matematicamente perfeitos, por isso eles não representam apenas dois valores 0 e 1, como alguns textos ensinam. Como exemplo, em uma transmissão de uma seqüência de bits 0110111001 são usadas as tensões de + 12 volts e – 12 volts para representar os bits 0 e 1, só que elas não assumem valores exatos, acontecendo oscilações e em vez de + 12 volts , temos + 11,3 volts ou 12,20 volts. Além dessas oscilações, o sinal pode sofrer ruídos e interferências, problema que não prejudica a qualidade do sinal se o valor não for muito acentuado.
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3.2 Modo de Operação
Em qualquer tipo de comunicação, a transmissão e a recepção podem ou não existir simultaneamente, sendo classifi cadas em SIMPLEX, HALF-DUPLEX E FULL-DUPLEX.
3.2.1 Simplex
A comunicação só é possível em uma única direção.
Exemplo:
1. A ligação entre um computador e uma impressora .
2. Transmissão de sinais de rádio e televisão.
3.2.2 Half-Duplex
A comunicação é possível em ambas as direções, porém não simultaneamente.
Exemplo:Comunicação entre rádios amadores.
3.2.3 Full-Duplex
A comunicação é possível em ambas as direções simultaneamente.
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Exemplo:Conversação telefônica entre duas pessoas.
3.3 Transmissões seriais e paralelas
Os equipamentos utilizados na computação transmitem e recebem bits simultaneamente. A transmissão paralela tem como característica vários bits caminhando juntos através de fi os independentes, sendo mais rápida, já que os bits são transmitidos de forma simultânea. Sua desvantagem está no custo, pois é cara a transmissão de bits simultâneos por longas distâncias, são exigidos cabos complexos que incluem vários condutores, o que o torna sensível às interferências eletromagnéticas.
A transmissão serial consiste no envio de bits, sendo que um por vez, pois com isso, é possível atingir facilmente distâncias maiores. Os cabos são mais simples e baratos, o que facilita a sua construção com blindagem eletromagnética e com isso a redução das interferências que são captadas.
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Antigamente, um dos problemas da transmissão serial era a lentidão, só que hoje, ela está extremamente rápida e não possui problemas de sincronismo e interferências, como os encontrados em transmissões paralelas. A transmissão serial já é tão efi ciente que está substituindo os dispositivos que utilizam transmissão paralela, a exemplo dos dispositivos USB e FIREWIRE que são transmissões seriais de alta velocidade.
3.4 Ritmos de Transmissão
3.4.1 Transmissão Assíncrona
O termo “assíncrono” refere-se à irregularidade dos instantes de ocorrência da transmissão, ou seja, o tempo de transmissão decorrido de dois bits pode ser variado pelo equipamento de transmissão.
Nesse tipo de transmissão, um bit especial é inserido no início e no fi m da transmissão de um caractere e assim permite que o receptor entenda o que foi realmente transmitido.
A principal desvantagem desse tipo de transmissão é a má utilização do canal, pois os caracteres são transmitidos irregularmente, além de um alto overhead (os bits de controle que são adicionados no início e no fi m do caractere), o que ocasiona uma baixa efi ciência na transmissão dos dados.
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3.4.2 Transmissão Síncrona
Na transmissão síncrona, os bits de um caractere são enviados imediatamente após o anterior, não existem os bits de controle no início e no fi m do caractere e nem irregularidades nos instantes de transmissão. A transmissão síncrona é estabelecida através de uma cadência fi xa para a transmissão dos bits de todo um conjunto de caracteres, um bloco. Resumindo, o transmissor e o receptor comunicam-se, sincronizam suas ações, e preparam-se para receber a comunicação, já sabendo da taxa de transmissão e o tamanho dos dados ordenados e conhecidos.
A comunicação síncrona é mais cara que a assíncrona, pois necessita de um relógio no hardware para permitir o seu sincronismo e é muito utilizada em redes com altas taxas de transmissão.
4 MEIOS FÍSICOS DE TRANSMISSÃO
Os meios físicos de transmissão são compostos pelos cabos coaxiais, par trançado, fi bra óptica, transmissão a rádio, transmissão via satélite e são divididos em duas categorias: os meios guiados e os meios não guiados.
No meio guiado, o sinal percorre através de meios sólidos, como a fi bra, o cabo coaxial e o par trançado. No meio não guiado, o sinal propaga-se na atmosfera, como é o caso das redes sem fi o e transmissões via rádio e via satélite.
4.1 Cabo par trançado
O meio de transmissão guiado mais utilizado pelas redes telefônicas é o par trançado, que está presente em quase 95% das ligações entre os aparelhos residenciais e as centrais telefônicas. Sua constituição é feita por dois fi os de cobre isolados e enrolados em forma de espiral, com o intuito de reduzir as interferências dos pares semelhantes que estão próximos. Os
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pares são conjugados dentro de um cabo, sendo que cada par é isolado por uma blindagem de proteção.
O par de fi o trançado UTP (Unshielded Twisted Pair) é bem utilizado em redes de computadores existentes em edifícios comerciais. Sua taxa de transmissão está na faixa de 10 Mbps a 1 Gbps, o que pode variar dependendo da distância entre o transmissor e o receptor.
A tecnologia UTP categoria 5 consegue o alcance de taxas de transmissão de dados de 100 Mbps, na distância de algumas centenas de metros permitindo que o par trançado fi rme-se como a tecnologia dominante em LANs de alta velocidade.
O par trançado não é usado apenas comercialmente, em muitas residências ele é utilizado para o acesso à internet via modem, com uma taxa de acesso de até 56 Kbps, e com a utilização da tecnologia DSL (Linha digital de assinante), que permite o alcance de taxas de transmissões maiores que 6 Mbps com pares de fi os trançados.
4.2 Cabo coaxial
Outro meio de transmissão guiado é o cabo coaxial. Ele possui melhor blindagem se comparado com o cabo par trançado, podendo se estender por distâncias maiores e em velocidades mais altas. Sua constituição é formada por dois condutores de cobre concêntricos e não paralelos com um isolamento e blindagem especial, o que permite, com essa confi guração, o alcance de altas taxas de transmissão de bits.
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Um fi o de cobre na parte central é envolvido por um material isolante, que é protegido por uma malha sólida entrelaçada. O condutor externo é protegido por uma camada plástica protetora.
Existem dois tipos de cabos coaxiais comumente usados. O primeiro é o cabo de 50 ohms, que é utilizado em transmissões digitais, e o segundo é o cabo de 75 ohms que é utilizado com freqüência em transmissões analógicas de TV e internet a cabo.
O cabo coaxial pode ser utilizado como um meio compartilhado guiado, onde vários sistemas fi nais podem ser conectados diretamente ao cabo, e todos eles recebem os sinais que são enviados por outros sistemas fi nais.
4.3 Cabo fi bra óptica
A fi bra óptica é um meio de transmissão guiado que conduz pulsos de luz, cada pulso é representado por um bit. A fi bra, além de suportar altas taxas de transmissão de bits, na casa das dezenas de gigabits por segundo, é imune a interferências eletromagnéticas, e possui uma baixa atenuação de sinal. Todas essas características tornaram a fi bra o meio preferido para transmissões guiadas de longo alcance.
O cabo de fi bra óptica é semelhante ao cabo coaxial, exceto por não ter a malha metálica.
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O centro da fi bra é formado por um núcleo de vidro por onde se propaga a luz. Esse núcleo é revestido por um vidro com índice de refração inferior ao do núcleo, para manter toda a luz no núcleo.
4.4 Fibra óptica versus fi o de cobre
A fi bra possui muitas vantagens, pois permite gerenciar larguras de bandas muito mais altas que o cobre. Os repetidores só são necessários a cada 50km de distância, bem diferente dos 5km exigidos pelos fi os de cobre. Não é afetada por picos de voltagem, interferências eletromagnéticas ou queda no fornecimento de energia.
As empresas telefônicas preferem a utilização da fi bra por ela ser fi na e leve. Por exemplo, mil pares trançados com 1km de comprimento pesam 9 toneladas, enquanto duas fi bras com a mesma capacidade de transmissão pesam apenas 100kg.
Na área de segurança, as fi bras difi cilmente são interceptadas, uma excelente alternativa contra possíveis escutas telefônicas. Mas a fi bra não é composta apenas de vantagens. Como desvantagem em relação ao fi o de cobre, a fi bra possui uma tecnologia pouco familiar, o que requer um conhecimento específi co e mão-de-obra qualifi cada, além de danifi car facilmente, se forem encurvadas demais.
4.5 Transmissão via rádio
Os canais de rádio carregam seus sinais dentro do espectro eletromagnético, um meio de transmissão atraente, pois não necessita de cabos físicos. Os canais de rádio são fáceis de gerar, podem percorrer longas distâncias e atravessar paredes e obstáculos. São considerados omnidirecionais, o que permite que viajem por todas as direções, e desse modo o transmissor e o receptor não precisam estar fi sicamente alinhados.
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Os canais de rádio podem ser classifi cados em dois grupos, os de pequeno alcance, que funcionam em locais próximos abrangendo de dez a algumas centenas de metros, e os de longo alcance, que abrangem algumas centenas de quilômetros.
4.6 Transmissão via satélite
Um satélite de comunicação permite a ligação de dois ou mais transmissores-receptores, que são denominados de estações terrestres. Eles recebem as transmissões em uma faixa de freqüência, geram novamente o sinal com o uso de repetidores e transmitem o sinal em uma outra faixa de freqüência. Existem dois tipos de satélite que são usados para a comunicação: os satélites geoestacionários e os satélites de baixa altitude.
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Os satélites geoestacionários fi cam permanentemente sobre o mesmo lugar da terra. Isso só é permitido, porque são colocados em órbita a 37mil quilômetros acima da superfície terrestre. Essa enorme distância pode causar atrasos de propagação. Mesmo assim, essa transmissão alcança velocidades de centenas de Mbps, e são freqüentemente usados em redes telefônicas e backbones da internet.
Os satélites de baixa altitude são posicionados próximos da terra e não fi cam permanentemente em um único lugar. Eles giram ao redor da terra e para promoverem a cobertura contínua em determinadas áreas é necessário colocar muitos satélites em órbita.
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