reco 01 introducao [Modo de Compatibilidade]rcmg/cefet-al/reco/aulas/reco_introducao2pp.pdf · 3 Evolução no processamento Tecnologia digital e micro eletrônica Mini e micro computadores

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Redes de Computadores

IntroduçãoIntroduçãoEvolução

C it

Reinaldo [email protected]

ConceitosTopologias

Evolução na comunicaçãoComunicação sempre foi uma necessidade humana, buscando aproximar comunidades humana, buscando aproximar comunidades distantes

Sinais de fumaçaPombo-correioTelégrafo (século XIX) - Código MorseRedes TelefônicasRedes de Distribuição: TV, Rádio, TV a cabo

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Evolução no processamentoIniciada durante a década de 50, com o surgimento dos primeiros sistemas de computadores

Baseados em grandes equipamentos para processamento e armazenamento de i f õinformações

Evolução no processamentoProcessamento batch (1950)Terminais interativos (1960) - sistemas operacionais de tempo compartilhado.Problemas:

ConfiabilidadeConfiguração do sistema não agradava ao usuárioDependência de um gerenciamento centralizadoDependência de um gerenciamento centralizado

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Evolução no processamentoTecnologia digital e micro eletrônica

Mini e micro computadores pessoais com preço Mini e micro computadores pessoais com preço reduzido (1970)

• descentralização• individualização

Evolução no processamentoRedes Locais

compartilhamento de recursosdistribuição e paralelismocorreio eletrônicotransferência de arquivos

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Evolução da Informática Evolução da Informática nas Empresasnas Empresas

Centro de Processamento

de Dados

Departamento Pessoal Departamento Financeiro

Processamento Batch

Sala deReuniões

Diretoria

Departamento Comercial

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de Dados


Processamento On-Line

Sala deReuniões

Diretoria



de Dados


Computadores Pessoais

Sala deReuniões

Diretoria


6


de Dados

Departamento PessoalDepartamento Financeiro

Redes Locais de Computadores

Sala deReuniões

Diretoria



de Dados


Integração Total

Sala de Distribuição

Sala de Reuniões

Diretoria


Diretoria


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Funções das RedesCompartilhar dispositivos periféricos ($$$)

ImpressoraspCD-ROM/CD-RWScannersFax/modemsUnidades de fita

Interagir com outros usuários na redeGerenciar agendas de grupoEnviar e receber correio eletrônicoViabilizar reuniões eletrônicas

Funções das RedesSegurança

Permitir que a duplicação de informações seja feita facilmente entre dois computadoresfacilmente entre dois computadoresHoje em dia já é mais um problema que uma vantagem

Disponibilidade de serviçosPermite que um serviço importante continue funcionando em outra máquina quando a principal falha, e.g. sistemas bancários redundantes, sistemas de usinas nucleares, etc.

Diversão e disseminação de informaçõesDiversão e disseminação de informaçõesJogos em redeAcesso a notícias e bases de informações públicas e privadas

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ShoppingShoppingTeleTele--conferênciaconferência

Aplicações possíveis

EletrônicoEletrônico

Integração Eletrônica Integração Eletrônica de Documentosde Documentos

Video sob Video sob demandademanda

Home BankingHome BankingDistribuição via Distribuição via Redes de GPSRedes de GPS

Outras...Outras...

DefiniçõesO que é uma rede de computadores?“Conjunto de módulos processadores capazes de trocar Conjunto de módulos processadores capazes de trocar

informações e compartilhar recursos, interligados por um sistema de comunicação.”

“O sistema de comunicação vai se constituir de um O sistema de comunicação vai se constituir de um arranjo topológico interligando os vários módulos processadores através de enlaces físicos (meios de transmissão) e de um conjunto de regras com o fim de organizar a comunicação (protocolos)”

[Soares, 1995]

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Definições

Sistema deComunicação

Estação Estação

EstaçãoEstação

DefiniçãoRedes de Computadores:

Conjunto de computadores autônomos interconectadosConjunto de computadores autônomos interconectados

Sistemas Distribuídos:Conjunto de computadores autônomos interconectados que aparecem para o usuário como um único

t dcomputador

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Hardware de redesTipos de interconexões:

Ponto-a-ponto:p

Difusão (broadcast):Difusão (broadcast):

Tecnologia de transmissãoRedes de difusão

Um canal é compartilhado por todosUm canal é compartilhado por todosPermitem multi-difusão (multicasting)Redes de pequenas dimensões

Redes ponto a pontop pAs mensagens trafegam por nós intermediáriosRedes de grandes dimensões

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Escala

Rede pessoal (PAN): 1mR d l l (LAN) 10 ( l ) 100 Rede local (LAN): 10m (sala), 100m (edifício), 1km (campus)Rede metropolitana (MAN): 10km (cidade)Rede geograficamente distribuída (WAN): 100km (país) 1 000km (continente)100km (país), 1.000km (continente)A Internet: 10.000km (planeta)

Rede pessoal (PAN)Personal Area Network

Dispositivos ao redor do usuário trabalhando juntos e compartilhando informações e serviçosUtiliza tecnologia sem fio

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Redes Locais (LANs)Características principais:

Altas taxas de transferência de dados (10/100Mbps)Altas taxas de transferência de dados (10/100Mbps)Baixas taxas de erros (alta confiabilidade)Dimensões restritasPropriedade privadaEm geral utilizam a interligação em broadcastBaixo custo

Redes Metropolitanas (MANs)Características principais:

Altas taxas de transferência de dados (10/100Mbps)Altas taxas de transferência de dados (10/100Mbps)Baixas taxas de errosDimensões maiores que uma LANRedes públicas ou de pesquisaNão possuem elementos internos de comutaçãoAlto custo

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Redes de Longo Alcance (WANs)Características principais:

Baixas taxas de transferência de dados (10Mbps)Baixas taxas de transferência de dados (10Mbps)Baixa confiabilidadeRedes públicasAlto custo (enlaces físicos)Em geral utilizam ligação ponto-a-pontoA sub-rede de comunicação possui elementos comutadores de pacotes

Exemplo:Rede Serpro, ARPANet (extinta), Internet/BR

Redes de Longo Alcance (WANs)Internet/BR (em 2007)(em 2007)

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Redes de Longo Alcance (WANs)Exemplos de WAN:

Sub redeSub-rede

Roteador

Redes de Longo Alcance (WANs)Exemplos de WAN:

Sub redeSub-rede

LAN da UFALLinha Privada da TelemarPaga pelo UFAL

LAN do CEFET-AL

Roteador

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Conceitos fundamentaisElementos físicos de uma rede

Estações ou sistemas finais (hosts)Estações ou sistemas finais (hosts)Sub-sistemas de comunicação (roteadores)Linhas ou enlaces de comunicação (links)

Elementos lógicosgRegras de comunicação (protocolos)Serviços oferecidos pela rede

Sistemas finais (hosts)

ISP

ISP

Companhia

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Sistemas finais (hosts)Exemplos de sistemas finais

Computadores pessoais de usuários Computadores pessoais de usuários conectados via ISPs por acesso discado ou outro meio (cable TV)Computadores ligados a uma rede local de uma empresa ou campusLaptop conectado via telefone celularLaptop conectado via telefone celularPDAs (palmtops) Câmera digitalMáquina de lavar roupas

Sistemas finais (hosts)Exemplos de sistemas finais

Servidores de aplicações de empresas e p ç pinstituições

• Servidores Web (quem devolve a página para você)• Servidores de email (quem encaminha seus emails)• Servidores de FTP (quem controla quem pode pegar um

arquivo num download)

Os sistemas finais formam a borda ou fronteira da uma rede

Dividem-se em clientes e servidores

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Sistemas finais (hosts)Clientes

São PCs domésticos, PDAs e equipamentos , q peletrônicos em geralProcuram ter uma interface (hardware ou software) amigável, intuitiva e fácil de usarPodem possuir recursos multimídiaSão ferramentas do dia-a-dia das pessoasSão ferramentas do dia-a-dia das pessoas

Sistemas finais (hosts)Servidores

São computadores com uma capacidade de p pprocessamento e armazenamento muito maior que as dos clientesSão utilizados pelos prestadores de serviços (ISPs, empresas de processamento de dados, bancos, instituições de ensino, governo, etc.)Em geral funcionam 24h por dia, 7 dias por semana e 12 meses por anoPossuem acesso restrito

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Sistemas finais (hosts)Modelo cliente/servidor:

www.cefet-al.br ?

[arquivo da página do CEFET-AL]

ClienteHardware/SO: PC/Windows

Software: Mozila Firefox

ServidorHardware/SO: Sun/SolarisSoftware: Apache Server

Sistemas finais (hosts)

Modelo Peer-to-PeerCada estação é, ao mesmo tempo, cliente e servidorExemplo de aplicações: KaZaa, Napster (finado)

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Elementos internos (roteadores)

ISP

ISP

Companhia

Elementos internos (roteadores)Decidem pela melhor rota ou caminho a ser tomado por uma mensagem em trânsitoO destinatário pode estar diretamente conectado ao roteador ou nãoCada roteador possui portas onde se conectam os enlaces ou linhas de

i ãcomunicaçãoQuanto mais portas mais complicado/demorado é para um roteador decidir para onde encaminhar a mensagem em trânsito

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Elementos internos (roteadores)Como são os roteadores fisicamente?

Computador PC rodando um software específico que Computador PC rodando um software específico que faz o roteamento

• As portas num PC são as placas de rede que devem ser adicionadas ao seu barramento

Hardware específico (computador dedicado)• O fabricante indica quantas portas o roteador possui e a

velocidade de cada uma delas• Empresas fabricantes de roteadores: Cisco, Cyclades,

IBM, 3Com, Digitel

Elementos internos (roteadores)Exemplos de roteadores

Roteador CISCO

21


Roteador CISCO


Roteador Cyclades

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Enlaces de comunicação (links)

ISP

ISP

Companhia

Enlaces de comunicação (links)Propagam as mensagens entre duas ou mais estaçõesç

Os enlaces são formados por meios físicos de transmissão de sinais ópticos ou eletro-magnéticos

Ar (rádio freqüência, canais de satélite, etc.)Fi táli ( b t )Fios metálicos (cobre, etc.)Fibra ótica

Cada meio tem vantagens e limitações (+depois)

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Enlaces de comunicação (links)

Exemplos:

Redes de acessoResidencial:

Modem discado: até 56KbpsModem discado: até 56KbpsADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line): banda larga: até 8Mbps downlinkHFC (Hybrid Fiber Coaxial): TV a cabo; acesso compartilhado das casas de um condomínio ou um bairroum bairro

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Modem discadoAté 56 kbps com acesso direto ao roteador (menos em tese)

Acesso residencial: redes ponto-a-ponto

Não é possível navegar e telefonar ao mesmo tempo: não pode estar “sempre on-line”

ADSL: asymmetric digital subscriber lineAté 1 Mbps de upstream (hoje tipicamente < 256 kbps)Até 8 Mbps de downstream (hoje tipicamente < 1 Mbps)OFDM: 50 kHz 1 MHz para downstreamOFDM: 50 kHz – 1 MHz para downstream

• 4 kHz–50 kHz para upstream• 0 kHz–4 kHz para telefonia comum

HFC: híbrido fibra e coaxialAssimétrico: até 30 Mbps upstream 2 Mbps

Acesso residencial: cable modems

Assimétrico: até 30 Mbps upstream, 2 Mbps downstream

Rede de cabo e fibra liga residências ao roteador do ISP

Acesso compartilhado das casas de um condomínio ou Acesso compartilhado das casas de um condomínio ou de um bairro

Deployment: disponível via companhias de TV a cabo

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Arquiteturas de redes a cabo: visão geral

ponto final do cabo

Tipicamente 500 a 5.000 casas

casa

p

rede de distribuiçãode cabo (simplificada)


casa

ponto final do cabo


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servidor(es)


casa

ponto final do cabo


CON

FDM:


canais

VIDEO

VIDEO

VIDEO

VIDEO

VIDEO

VIDEO

DATA

DATA

NTROL

1 2 3 4 5 6 7 8 9

casa

ponto final do cabo


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Redes de acessoInstitucional:

LANs (Local Area Networks): Ethernet –( )10/100Mbps, Gigabit Ethernet

Sem fio:WLANs (Wireless LANs): utiliza ondas de rádio;

11 54 Mbcomum: 11 e 54 Mbps

Meios físicosMeios guiados

Os sinais se propagam em meios sólidos: par trançado Os sinais se propagam em meios sólidos: par trançado, cabo coaxial, fibra óptica

Meios não guiadosAs ondas se propagam na atmosfera e no espaço: rádio

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Internet – um exemploO que é a Internet?

Milhões de elementos de computação interligados: Milhões de elementos de computação interligados: hosts ou sistemas finaisExecutando aplicações distribuídasConectados por enlaces de comunicação e roteadoresSeguindo protocolosF d d d dFormando uma rede de redes

Internet – um exemploISP local

ISP regional

redecorporativa

roteador estaçãoservidor

móvel

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Intranet e extranetMesma tecnologia da Internet

IntranetRedes privadas sem acesso externo

ExtranetExtranet“Intranet extendida”, com acesso externo restrito a pessoas autorizadas

ProtocolosO que é um protocolo?

Conjunto de regras que definem o envio e recebimento d i f õ ( )das informações (mensagens)

Oi

OiTCP pedido de conexão

TCP resposta

Protocolo humano Protocolo de Redes de Comp.

Que horas são?

2:00

pde conexão

<arquivo>tempo

Get http://gaia.cs.umass.edu/index.htm

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Estrutura da rede (Internet)Bordas da rede:

hostsNúcleo da rede:

rotedoresRedes de acesso e meios físicos:

enlaces de comunicação

Bordas da redeServiço orientado à conexão:

Estabelecimento prévio de condições para o envio de Estabelecimento prévio de condições para o envio de dados (aperto de mão)

Serviço não orientado à conexão:Dados enviados sem “acordo” prévio

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ComutaçãoComo os enlaces serão compartilhados entre as diversas estações comunicantes?diversas estações comunicantes?

Comutação ou chaveamentoForma como será realizada a alocação de recursos para a transmissão na rede

Modalidades de comutação Comutação de circuitosComutação de pacotes

Comutação de circuitosOs recursos necessários ao longo de um caminho (enlaces, buffers, banda, etc) são reservadosdurante o tempo em que durar a comunicaçãoRecursos dedicados: não há compartilhamentoFormação de um circuito virtualNecessidade de estabelecimento da conexão fim-a-fima-fimExemplos:

Rede telefônica

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Comutação de circuitos

ISP

ISP

Companhia

Comutação de circuitosOs recursos da rede são divididos em “pedaços”

Exemplo: Um canal de 100Mbps pode ser dividido em Exemplo: Um canal de 100Mbps pode ser dividido em 20 canais de 5Mbps

A cada pedido de conexão um “pedaço” deste é reservado

Recursos não utilizados ficam ociosos pelo tempo em que durar a ausência de comunicação não há compartilhamento (recursos dedicados após reserva)

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Comutação de pacotesA mensagem a ser transmitida é dividida em pacotes (pedaços menores)p (p ç )

Cada pacote utiliza toda a largura de banda do enlace

Após transmitir um pacote, o enlace ou canal fica Após transmitir um pacote, o enlace ou canal fica disponível para quem desejar transmitir (não há reserva de recursos)

O enlace fica reservado a um pacote apenas durante o tempo de transmissão do pacote

Comutação de pacotesCada fluxo de dados fim-a-fim é dividido em pacotes:

Recursos compartilhados e usados sob demandaRecursos compartilhados e usados sob demandaCada pacote usa toda a banda

A C10 Mbits/sEthernet multiplexação estatísticaA C10 Mbits/sEthernet multiplexação estatística

B1.5 Mbits/s

fila de pacotes esperandopelo enlace de saída

B1.5 Mbits/s

fila de pacotes esperandopelo enlace de saída

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Comutação de pacotesComo não há reserva de recursos:

Pedidos por recursos podem extrapolar a capacidade real instalada!Congestionametos: pacotes são enfileirados nos elementos intermediários da rede para serem processados e transmitidosStore-and-forward: pacotes movem-se um passo de cada vez

• Cada roteador armazena os pacotes recebidos numa fila, processa-os e, quando houver disponibilidade de enlace, transmite-os para o próximo elemento (roteador ou host)

Comutação de pacotesExemplo:

L

R R R

L/R = tempo de transmissão de uma

L = 7.5 MbitsR = 1.5 MbpsAtraso = 15 segundos (3*L/R)

transmissão de uma mensagem L com uma taxa de R bps

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M1 =M1

M2==

= LAN= WAN= WAN


M1M1

M2==

36


M1 =M1

M2==


M1 =M1

M2==

37


M1 =M1

M2==


M1 =M1

M2==

38


M1 =M1

M2==


M1 =M1

M2==

39


M1 =M1

M2==


M1 =M1

M2==

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M1 =M1

M2==

Pacotes versus CircuitosComutação por pacotes é melhor?

Sim, para transmissão esporádica de dados: melhor compartilhamento de recursos e não há conexão;

Não, quando necessária garantia de taxa de transmissãotransmissão.

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Redes de pacotes: roteamentoRedes de datagramas:

O endereço de destino determina o próximo saltoO endereço de destino determina o próximo saltoRotas podem mudar durante uma sessãoAnalogia: dirigir perguntando o caminho

Redes de circuitos virtuais:Cada pacote leva um no que determina o próximo saltoRota é fixa e escolhida no estabelecimento da conexãoRoteadores guardam o estado de cada conexão

Atraso em redes de pacotes

transmissãotransmissãoA

B

transmissãopropagaçãoA

B

transmissãopropagação

processamento enfileiramentoprocessamento enfileiramento

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Filas de pacotes em buffers de roteadoresTaxa de chegada de pacotes ao link ultrapassa a capacidade do

Como perdas e atrasos ocorrem?

link de saída

Fila de pacotes esperam por sua vez

A

pacote sendo transmitido (atraso)

Benfileiramento de pacotes (atraso)

buffers livres (disponíveis): pacotes chegando descartados (perda) se não houver buffers livres

1. Processamento nos nós: • Verifica erros de bit• Determina link de saída

Quatro fontes de atraso de pacotes

• Determina link de saída2. Enfileiramento• Tempo de espera no link de saída para transmissão• Depende do nível de congestionamento do roteador

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3. Atraso de transmissão:• R = largura de banda do link (bps)• L = tamanho do pacote (bits)

Atraso em redes de comutação de pacotes

p ( )• Tempo para enviar bits ao link = L/R

4. Atraso de propagação:• d = comprimento do link físico• s = velocidade de propagação no meio (~2x108 m/s)• Atraso de propagação = d/s

Nota: “s” e “R” são medidas muito diferentes!

fil ddddd +++=

Atraso Nodal

• dproc = atraso de processamento• Tipicamente uns poucos microssegundos ou menos

• dfila = atraso de filaDepende do congestionamento

proptransfilaprocno ddddd +++

• Depende do congestionamento• dtrans = atraso de transmissão

• = L/R, significante para links de baixa velocidade• dprop = atraso de propagação

• Uns poucos microssegundos a centenas de milissegundos

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Topologias de redesClassificação das redes quanto à topologia:

Completamente conectadap

P i l t t dParcialmente conectada

Topologias de redesClassificação das redes quanto à topologia:

Topologia em barraTopologia em barra

Topologia em anel

Topologia em estrela

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Topologias de redesTopologia Lógica X Topologia Física

Qual a melhor topologia? Por quê?

Parâmetros de comparaçãoConfiabilidade

• O que acontece se uma estação sai do ar?• O que acontece se uma estação sai do ar?Desempenho

• As mensagens chegam ao seu destino dentro de um tempo satisfatório?

• O que acontece com a rede em momentos de pico de tráfego entre as estações?

Topologias de redesParâmetros de comparação

Custo• Equipamentos, treinamento, etc.

Possibilidade de expansão• Qual a dificuldade de adicionar novas estações à rede?

Retardo de transferência• Soma dos retardos de acesso com o de transmissão• Retardo de acesso: intervalo de tempo entre a geração da

mensagem a transmitir e o momento em que a estação recebe o direito de transmiti-la no meio

• Retardo de transmissão: tempo decorrido entre o início da transmissão da mensagem até seu completo recebimento pela estação de destino

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Completamente conectadaConfiabilidade

Bastante confiável, a falha de um nó não afeta o conjuntoDesempenho

Não há necessidade de roteamento, pois há uma rota de cada estação para as demais

CustoMuito alto (custo depende basicamente dos enlaces físicos)( p )

ExpansãoDificuldade em manter a rede totalmente conectada

Retardo de transferênciaÉ sempre o mesmo para quaisquer duas estações

Parcialmente conectadaConfiabilidade

A falha de um nó pode comprometer a redep pDesempenho

As mensagens têm um atraso de entrega dependente do nó de destinoHá necessidade de roteamento de mensagens

CCustoMenor que o da topologia anterior (menos enlaces)

ExpansãoMaior facilidade de expandir sem comprometer o custo

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Barra ou barramentoFuncionamento:

Uma estação transmite de cada vez, as outras "escutam"Há f d i di i d iHá uma forma de garantir este direito de transmissão

Confiabilidade:Falha de um nó não compromete o funcionamento da rede

Desempenho:Nã há id d d t t d Não há necessidade de roteamento de mensagensTodas as estações “ouvem” todas as mensagens transmitidas por qualquer outra estação (broadcasting)O que acontece quando mais de uma estação transmite simultâneamente? Ocorre uma colisão

Barra ou barramentoCusto:

Baixo. A tecnologia em barra evoluiu bastante e já está acessível té á i d d d é tiaté para usuários de redes domésticas

Expansão:A adição de mais estações a uma rede em barra é relativamente fácil, mas depende do meio físico empregadoPode ser feita com a rede em funcionamentoPode ser feita com a rede em funcionamentoPares trançados são mais fáceis de manipular que fibra ótica, por exemplo.Há um limite no tamanho máximo do segmento (fio), no número máximo de estações definidas e na distância entre elas (padrões IEEE 802)

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Barra ou barramentoRetardo de transferência:

Pode ser comprometido pelo retardo de acessoPode ser comprometido pelo retardo de acesso

Outras possibilidades:Ligação de mais de uma barra, para ampliar o tamanho do segmento

AnelFuncionamento:

Cada estação está ligada a uma antecessora e a uma sucessoraFluxo de dados em um único sentido (baixo custo)

Confiabilidade:Dependente de cada nó e do anel em si

Desempenho:As mensagens têm um atraso constante para girar o anelCada estação deve esperar sua vez para transmitir token ou ficha de transmissão

Custo:Um pouco mais alto que uma rede em barra

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AnelExpansão:

As estações são repetidoras o anel pode ser muito grandeA inserção de novas estações pára o funcionamento da rede

Retardo de transferência:Aumenta com o tamanho do anel, pois cada estação deve armazenar, processar e retransmitir a mensagem para a estação seguinte (retardo de transmissão); além disso, a estação deve aguardar sua vez para transmitir (retardo de acesso)aguardar sua vez para transmitir (retardo de acesso)

Outras possibilidades:Anel duplo, com transmissão em sentidos opostosRelés de bypass

AnelInterface do anel:

Todas as estações devem permanecer ligadas para manter o funcionamento do anel

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Relés de bypassem cada estação chaveiam quando a estação é desligada, mantendo o anel fechado e funcional


Duplo anelA falha de um anel ativa o outro e a rede continua operacional

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EstrelaFuncionamento

Uma estação central é encarregada de distribuir as Uma estação central é encarregada de distribuir as mensagens entre duas estações quaisquerTodas as outras estações se ligam fisicamente a ela

Topologias de redesTopologias mistas:

Fisicamente = estrela; logicamente = barra; g

Fi i t t l l i t l

concentrador

Fisicamente = estrela; logicamente = anel

concentrador

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Fisicamente = estrela; logicamente = barraFisicamente estrela; logicamente barra

Concentrador ou Hub


Fisicamente = estrela; logicamente = anelFisicamente estrela; logicamente anel

Concentrador ou Hub

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