Redes aula4

GESTÃO DE SISTEMAS DE REDE 1(14)

TGSI/FMR Prof. Moreira Anotações da aula 4 (04/03/2005)

MODELO TCP/IP

Breve histórico Na realidade o desenvolvimento do modelo TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) é anterior ao do modelo OSI. Apesar de os dois modelos terem como objetivo suprir a necessidade de interoperabilidade entre produtos e serviços heterogêneos, o TCP/IP não foi criado para ser padrão mas sim para atender necessidades de conexão entre os vários projetos do Departamento de Defesa dos EUA, inclusive o de suas redes de computadores. O TCP/IP foi projetado sem que se conhecessem ainda as camadas do OSI, contudo é possível classificar suas camadas conceitualmente como similares às do modelo OSI. Geralmente ele é apresentado como composto de 4 ou 5 camadas, dependendo do autor, semelhantes às do modelo OSI em termos de funções e serviços. O modelo de referência TCP/IP atualmente é o mais usado em redes locais. Fundamenta-se na necessidade de interligação de diferentes tecnologias de redes Tem como base dois protocolos: o TCP, um protocolo compatível com a camada 4 do modelo OSI, que fornece um serviço de transporte orientado à conexão, e o IP, compatível com a camada 3, que fornece um serviço de rede não-orientado a conexão. Isso se deve basicamente à popularização da Internet, já que esse protocolo foi criado para ser utilizado na Internet. Mesmo sistemas operacionais de rede que só utilizavam o seu protocolo proprietário (como Windows NT com seu NetBEUI e o Netware com seu IPX/SPX), hoje suportam o protocolo TCP/IP. Uma das grandes vantagens do TCP/IP em relação aos outros protocolos existentes é que ele é roteável, isto é, foi criado pensando em grandes redes e de longa distância, onde podem existir vários caminhos para o dado atingir o computador de destino. Outro fato que tornou o TCP/IP popular é que ele possui arquitetura aberta e qualquer fabricante pode adotar a sua própria versão TCP/IP em seu sistema operacional, sem necessidade de pagamento de direitos autorais a ninguém. Com isso, todos os fabricantes de sistemas operacionais acabam adotando o TCP/IP, transformando-o em um protocolo universal, possibilitando que todos os sistemas possam se comunicar entre si sem dificuldade.



Estrutura do modelo Na figura a seguir, a arquitetura do TCP/IP é apresentada. Ao analisar a figura, verifica-se que esse protocolo pode ser tratado como tendo 4 camadas. Veja a correlação com o modelo OSI. TCP / IP OSI TCP/IP OSI O modelo TCP/IP é muito pouco explícito em relação à camada Host/rede . Apenas indica que o host precisa se conectar à rede com algum protocolo que permita o envio de pacotes IP. A camada Inter-redes deve se encarregar da entrega correta dos pacotes IP, usando os roteamentos necessários e evitando congestionamentos. Pode ser feita uma analogia com a camada de rede do modelo OSI. A camada de Transporte tem funções bastante semelhantes à camada de transporte OSI. É responsável por pegar os dados enviados pela camada de Aplicação e dividi-los em pacotes chamados datagramas. O modelo TCP/IP não tem as camadas de sessão e de apresentação. A camada de Aplicação contém todos os protocolos de nível mais alto.

Aplicação

Transporte

Inter-Redes

Host/rede

Sessão

Rede

Enlace

Transporte

Apresentação

Aplicação

Física



MODELO IEEE 802.X (ETHERNET) O IEEE, em fevereiro de 1980, tomou para si a responsabilidade de desenvolver padrões para redes locais, tomando por base o modelo OSI. E os mesmos se concentraram nas camadas física e de enlace de dados. O projeto de desenvolvimento logo ganhou o nome de IEEE 802, como uma referência ao ano e mês de início dos trabalhos. Os vários subprojetos que se seguiram tiveram um ponto (.) e um número seqüencial acrescidos a seu nome (por exemplo IEEE 802.1). Em particular o padrão IEEE 802.3 é praticamente igual ao padrão Ethernet, daí o modelo ser identificado muitas vezes, indiferentemente, como modelo Ethernet ou modelo IEEE 802. A Ethernet é hoje a mais popular das redes locais (LAN), por sua simplicidade: ela é confiável, de baixo custo e fácil manutenção e por sua flexibilidade: interoperabilidade com protocolos existentes, principalmente com o TCP/IP que é dominante no mercado, evolução de velocidades, adaptação fácil aos novos dispositivos de mercado (hubs, chaves, etc.). O modelo Ethernet é um padrão que define como os dados serão transmitidos fisicamente através dos cabos de rede. Sendo assim, esse protocolo atua de forma equivalente às camadas Física e de Enlace do modelo OSI ou à camada Host/rede do modelo TCP/IP. Veja a figura abaixo. A subcamada LLC – Logical Link Control (Controle de Enlace Lógi co) é responsável pela divisão do pacote de dados em quadros, é responsável pelo controle de fluxo destes quadros e pelo controle de erros de transmissão. A subcamada MAC – Medium Access Control (Controle de Acessos ao s Meios) controla a utilização compartilhada dos meios físicos de transmissão. O papel do modelo Ethernet é, portanto, pegar os dados entregue pelos protocolos de alto nível – TCP/IP, IPX/SPX, NetBEUI, etc – e inseri-lo dentro de quadros que serão enviados através da rede. O modelo Ethernet também define como fisicamente esses dados serão transmitidos (o formato do sinal, por exemplo).

Host/redeEnlace

Física

Enlace

Física

Controle de acesso ao meio

Física

Controle de enlace lógico

TCP/IP OSI ETHERNET



A figura a seguir apresenta uma rede local utilizando o protocolo TCP/IP como protocolo de alto-nível e o protocolo Ethernet como protocolo de baixo nível. Nesta configuração, o protocolo TCP/IP corresponde às camadas 7, 6, 5, 4 e 3 do modelo OSI e o protocolo Ethernet corresponde às camadas 1 e 2. Os protocolos internos de cada camada serão vistos posteriormente.

Controle de Link LógicoControle de Acesso ao MeioDriver da Placa de RedePlaca de Rede

Aplicação(SMTP, HTTP, FTP, Telnet)

Transporte(TCP ou UDP)

Inter-Redes(IP, ICMP, ARP, RARP)

Cabo

Interface com a rede

TCP / IP

Ethernet



ESTUDO DA CAMADA FÍSICA

A Camada Física transforma os quadros de dados recebidos em sinais compatíveis com o meio onde os dados serão transmitidos. Ela é a responsável pela adequação do sinal transmitido ao meio físico de transmissão. Entende-se por sinal o resultado da conversão do dado em bits na forma elétrica, óptica ou eletromagnética. A camada física é a única camada que possui acesso físico ao meio de transmissão da rede devendo, portanto, se preocupar com fatores como as especificações elétricas, mecânicas, funcionais e procedurais da interface física entre o equipamento e o meio de transmissão, ou seja, a camada física tem como função básica a adaptação do sinal ao meio de transmissão.

� especificações mecânicas: propriedades físicas da interface com o meio físico de

transmissão, incluindo, por exemplo, o tipo de conector utilizado, o diâmetro do cabo;

� especificações elétricas: relacionam-se com a representação de um bit em termos de, por exemplo, nível de tensão utilizado e taxa de transmissão de bits;

� especificações funcionais: definem as funções a serem implementadas por esta interface;

� especificações procedurais: definem a seqüência de eventos trocados durante a transmissão de uma série de bits através do meio de transmissão.

A camada física possui as seguintes funções:

� estabelecimento/encerramento de conexões: ativa e desativa conexões físicas mediante a solicitação de entidades da camada de enlace;

� transformação de dados: transformar os dados recebidos no formato de quadros, da camada de enlace, na unidade de transmissão utilizada que é o bit.

� transferência de dados: O nível físico tem como função transmitir os bits na mesma ordem em que chegam da camada de enlace (no sistema de origem) e entregá-los à camada de enlace na mesma ordem que chegaram (no sistema de destino);

� gerenciamento das conexões: gerência da qualidade de serviço das conexões físicas estabelecidas. Deve monitorar taxa de erros, disponibilidade de serviço, taxa de transmissão, atraso de trânsito etc.

São os protocolos, funções e especificações da camada física que definem tudo o que se relaciona com os meios físicos de transmissão utilizados nas redes de computadores, sejam eles com ou sem fio. Definem, por exemplo, tipos e comprimentos de cabos, padrões de conectores, sinais físicos associados a cada pino em cada conector.



De forma geral os componentes de um meio físico de transmissão são: � Cabos

o Par trançado não-blindado o Par trançado blindado o Coaxial o Fibra óptica

� Conectores � Outros Dispositivos

o Modem o Placa de rede o Hub o Repetidor

A transmissão pode ocorrer através de: � Meios guiados

o Fios,Cabos e Fibras Ópticas � Meios não guiados:

o Rádio-difusão o Microondas o Infra-vermelho o Via satélite

Nas transmissões por cabo algumas características físicas e elétricas são comuns aos diversos componentes: � Características físicas:

o Condutor – é o meio para o transporte do sinal físico. Geralmente são cabos de cobre desfiados ou sólidos, fibras de vidro ou de plástico;

o Isolamento – é uma barreira protetora que evita que o sinal escape do condutor ou sofra interferências externas;

o Capa externa – de materiais como PVC ou Teflon.

Camada física

Camada física

Meio Físico



� Características elétricas: o Capacitância – é a propriedade que um circuito elétrico tem de armazenar

carga elétrica que depois irá distorcer o sinal transmitido. Quanto menor a capacitância mais alta é a qualidade do cabo.

o Impedância – é a propriedade de um circuito elétrico em se opor a mudanças na quantidade de corrente elétrica fluindo pelo circuito. É importante prestar atenção nos limites aceitáveis de variação de impedância exigidos para cada dispositivo da rede.

o Atenuação – é o enfraquecimento da força do sinal à medida que o sinal caminha pelo cabo.

Meios de transmissão de cobre – sinais transmitidos através de cabos e fios de cobre estão constantemente sujeitos a interferências elétricas de outros cabos que estão próximos, a interferências eletromagnéticas de máquinas e motores, a campos magnéticos próximos. Além disto, os próprios cabos e fios estão sujeitos a deterioração por umidade ou maus tratos. Tudo isto contribui para que o sinal perca força no decorrer do trajeto. � Par trançado não-blindado – (UTP – Unshielded Twist ed Pairs) - O cabo par trançado

não-blindado é um tipo de cabo onde existem pares de fios de cerca de 1 mm de diâmetro isolados individualmente e enrolados em espiral. Esta forma faz com que as ondas de diferentes partes dos fios se cancelem, resultando em menor interferência. Em um mesmo cabo podem existir dois ou mais pares envolvidos por uma capa protetora externa a todos. A transmissão de dados exige, no mínimo, dois pares: um para transmissão e outro para recepção dos dados. Possui alta taxa de transmissão, baixa atenuação, menor custo por metro linear e ligação aos nós da rede extremamente simples e barata. Admite um distância entre nós de até 100 m sem amplificação. Padrões da Electronic Industries Association e da Telecommunications Industries Association (EIA/TIA) estabelecem algumas categorias para estes cabos conforme suas características de fabricação. Por exemplo, um cabo da categoria 3 pode ser usado para transmissão de dados e voz, com características de transmissão de até 16 MHz e taxa de até 10 Mbps. Um cabo da categoria 5 pode ser usado para transmissão de dados e voz, com características de transmissão de até 100 MHz e taxa de até 100 Mbps. Há várias categorias que vão se sofisticando com o passar do tempo e a evolução tecnológica. Atualmente as categorias 3 e 5 são as mais utilizadas.



� Par trançado blindado (STP – Shielded Twisted Pairs ) - O cabo par trançado blindado é um tipo de cabo onde existe pares de fios isolados individualmente e trançados em forma helicoidal, concedendo-lhe certa imunidade a ruídos elétricos. Cada par é envolvido ainda por uma blindagem para minimizar a interferência que fontes externas possam causar. A transmissão de dados exige, no mínimo, dois pares: um para transmitir e outro para receber dados. O conjunto é envolvido por uma capa protetora. podendo dentro de um mesmo cabo existir dois ou mais pares. Cada fio possui o diâmetro aproximado de 1 mm. Possui a vantagem de ser barato, flexível e confiável. Por ser mais caro que o par não-blindado, é menos usado. Admite uma distância entre os nós de até 100 m, sem amplificação.

� Cabo coaxial – O cabo coaxial é formado por 1 fio de cobre esticado na parte central,

envolvido por um material isolante. Este material isolante, por sua vez é envolvido por um condutor cilíndrico, geralmente uma malha metálica entrelaçada coberta por uma camada plástica protetora. É um cabo de média flexibilidade, quase não apresenta interferência e tem alta resistência mecânica. Tem melhor blindagem que os pares trançados, o que lhe permite se estender por distâncias mais longas em velocidades mais altas, porém tem maior custo.

Existe uma grande variedade de cabos coaxiais, porém numa rede local Ethernet são utilizados apenas dois tipos, o cabo grosso (yellow cable ou thick ethernet) ou cabo fino (cheapernet ou thin ethernet).

C o n ec to r-T

C o n e c to r B N C m ach o

T e rm in a d o r



Meios de transmissão por fibra – Em um sistema de transmissão óptica o elemento emissor é uma fonte de luz, o meio de transmissão é uma fibra de vidro ou de plástico e o receptor é um detector de luz. Um sinal elétrico é convertido pela fonte de luz em sinal luminoso que é transmitido pela fibra. O detector de luz “desconverte” este sinal luminoso novamente em sinal elétrico. Por convenção um pulso de luz indica um bit 1 e a ausência de luz é o bit 0. Como fonte usam-se geralmente diodos emissores de luz (LED – Light Emitting Diodes) e lasers semicondutores que operam na faixa de freqüência do infravermelho (de 10 a 15 Mhz). Como receptor geralmente há um fotodiodo, que emite um pulso elétrico ao ser atingido pela luz.

Obs.: Óptica – parte da Física que se relaciona com a luz. Ótica – é relativa ao ouvido.



� Cabos de fibra óptica – Uma fibra óptica é constituída de um filamento muito fino de vidro ou plástico por onde se propaga a luz. Este filamento é envolvido por uma camada de vidro ou plástico de índice de refração inferior ao do núcleo e uma capa protetora. Externamente há uma camada protetora e que dá resistência física à fibra.

Existe cabo com uma única fibra ou um feixe de fibras no mesmo cabo. Os cabeamentos de fibra óptica possuem características de segurança superiores e podem suportar taxas de transmissão de dados de dezenas de Gbps (109). Os custos para implantação e conexão de redes de fibra óptica ainda são bem superiores aos de outros meios de cobre. Os cabos de fibra óptica não são suscetíveis a qualquer tipo de interferência eletromagnética, inclusive as mais severas e, por isto, podem alcançar grandes distâncias (em torno de 1500 m entre os nós).

Fisicamente a fibra óptica se vale do princípio físico da refração da luz que é desviada quando passa de um meio físico para outro de índice de refração diferente. Aumentando o ângulo de incidência na divisa de um meio físico para outro o desvio pode ser tão grande que a luz é refletida para dentro do mesmo meio onde caminhava. Com isto ela não se perde e caminha dentro deste meio até o fim, como se ele fosse uma tubulação de luz.

Reflexão totalinterna

Fonte de luz

vidroplástico



Fibras multimodo – são aquelas em que vários feixes luminosos em diferentes ângulos de incidência se propagam através de diferentes caminhos dentro da fibra. Fibras monomodo – são aquelas fibras com diâmetro do núcleo tão pequeno que apenas um raio de luz será transmitido, praticamente sem reflexão nas paredes internas.

Conectores – são os dispositivos da camada 1 que ligam os demais dispositivos aos cabos da rede. Há, no mercado, diversos tipos de conectores cuja utilização vai depender de cada situação específica: conectores para ligar placas de rede a um cabo; conectores para ligar segmentos de cabo; conectores para ligar cabos a outros dispositivos da rede; conectores terminais para ligar no final de um cabo para possibilitar o balanceamento da impedância no mesmo. Alguns exemplos mais comuns: na ligação de cabos de par trançado usa-se o conector modular de 8 pinos, mais conhecido como terminal RJ-45 (registered jack ou terminal registrado com o número 45); o conector para cabos coaxiais é conhecido como conector BNC, mostrado na figura a seguir.

Outros Dispositivos – Além dos cabos e conectores, a camada física utiliza alguns outros dispositivos para compor o meio físico na transmissão de dados. São modens, placas de rede, hubs e repetidores. � Modem – É um dispositivo interno ou externo ao computador capaz de transformar, no

lado do emissor dos dados, o sinal digital que sai do computador para uma forma analógica para que este sinal possa ser transmitido por linhas telefônicas padrão. É o processo chamado de modulação. No lado receptor dos dados, o modem demodula o sinal, reconvertendo o sinal analógico transmitido da linha telefônica para a forma digital que é inteligível para o computador. A palavra vem de MOdulação – DEModulação. Os protocolos ITU-T especificam padrões de modem levando em consideração a velocidade com que eles trocarão dados entre si. Os padrões de modem (e seus protocolos) mais

FIBRA MULTIMODO FIBRA MONOMODO



comuns são: 14.400 bps (V.32 bis); 28.800 bps (V.34); 33.600 bps (V.34 melhorado) e 57.600 bps (V.90).

� Placa de rede - A placa de interface de rede ou (Network Interface Card – NIC) é um dispositivo que atende a camada de nível 1 e também a de nível 2. É instalada dentro do computador e é a responsável pela conexão do hardware com o meio físico de transmissão. Necessita sempre da instalação de seu driver, ou seja, do software que a faz executar as funções necessárias para a rede. Pode ter entrada para um ou mais tipos de conectores.

� Hub – É um dispositivo que permite interligar vários nós de uma rede. Tem várias linhas

de entrada que ele conecta eletricamente. Os dados que chegam a qualquer destas entradas são enviados a todas as outras, ou seja, ele retransmite o que chega para todos os nós da rede, não analisando endereços. Vai ocorrer colisão se dois dados chegarem ao mesmo tempo. Todas as placas que enviarem dados para um hub devem estar operando na mesma velocidade. Normalmente não amplificam os sinais de entrada e são projetados para conter várias placas de expansão. As entradas são denominadas portas que podem ser 8, 16, 24 ou 32, de acordo com o modelo e fabricante.

A B C D

H G F E

HUB



� Repetidor – É um dispositivo analógico que tem como finalidade conectar dois

segmentos de um cabo. Um sinal que aparece em um deles é amplificado e colocado no outro. Há portanto uma regeneração de sinais. Não reconhece quadros, pacotes ou cabeçalhos, somente volts. Um exemplo clássico de sua utilização é em redes Ethernet onde o limite entre nós de 500 metros pode se ampliar até 2.500 m com a colocação de um máximo de 4 repetidores no caminho.

Formas de transmissão por meios não guiados – São as transmissões sem fio (wireless). Baseiam-se nas ondas eletromagnéticas que foram previstas pelo físico inglês Maxwell e comprovadas pelo físico alemão Hertz. Geralmente estão sujeitas a uma série de interferências do ambiente, como interferências elétricas, magnéticas, do clima e até mesmo de obstáculos no meio do caminho. A rede sem fio é uma alternativa viável onde é difícil ou mesmo impossível implantar uma rede física. É imprescindível para comunicação entre computadores portáteis em ambiente de rede móvel. É uma solução em aplicações militares onde um problema com cabos pode paralisar toda a comunicação. É um complemento para as redes convencionais: um computador sem fio pode se comunicar, através de antenas, com um nó da rede e daí a informação pode seguir por fios e cabos até o destino. � Transmissão por Rádio-difusão – as ondas de rádio são fáceis de gerar, podem percorrer

longas distâncias, atravessar prédios e viajam em todas as direções sem necessidade de alinhamento rigoroso entre emissor e receptor. Estão sujeitas a uma série de interferências e podem também interferir em outras transmissões. Por isto, são rigorosamente controladas pelos governos.

� Transmissão por microondas – Acima de 100 MHz as ondas de rádio-frequência praticamente caminham em linha reta e podem ser concentradas em um feixe estreito. Exigem alinhamento perfeito entre a antena de emissão e a de recepção, sem obstáculos pelo caminho (visada direta). Todo o sistema telefônico de longa distância e o sistema de distribuição de sinais de TV brasileiros eram por microondas, até o surgimento das fibras ópticas.

� Transmissão por ondas de infravermelho – são ondas milimétricas muito utilizadas na comunicação de curto alcance. São bem direcionais, baratas e fáceis de montar mas não atravessam objetos sólidos. Seu uso atualmente está restrito a aparelhos domésticos que fiquem dentro de um mesmo espaço físico, como ligar TVs, vídeos, ou mesmo para conectar mouse, notebooks ou impressoras aos computadores.

SINALREPETIDOR

REPETIDOR



� Transmissão Via satélite – satélites amplificadores e repetidores de comunicações colocados em órbita ao redor da Terra tem um importante papel nas transmissões sem fio. Existem atualmente três grandes tipos de satélites de comunicação. Os que ficam em órbitas geoestacionárias na altitude de 35.800 Km e que para alguém da Terra parecem fixos no espaço. Os dados que chegam ao satélite são retransmitidos de volta para grandes antenas na Terra que se encarregam da distribuição para suas redes. Não há controle de privacidade e segurança das mensagens transmitidas. Os satélites de órbita média que ficam a mais ou menos 15.000 Km de altitude. Precisam ser acompanhados em suas órbitas. Os satélites GPS (Global Positioning System) estão neste caso. Satélites de órbita baixa – Girando a aproximadamente 1.000 Km de altitude, com movimento muito rápido, há necessidade de uma quantidade grande de satélites para se ter um sistema de comunicação completo. Atualmente existem 2 sistemas para comunicação de voz e um para a Internet em utilização/projeto. O Projeto Iridium previa 77 satélites depois alterado para 66, que permitiriam a qualquer usuário de seus telefones estar sempre enxergando um deles. O objetivo é permitir transmissão de dados de qualquer lugar para qualquer lugar do planeta, via satélites. O Projeto Globalstar é uma alternativa ao Iridium. 48 satélites mais um sistema de antenas na Terra permitiriam que uma chamada refletida no satélite seguisse por uma rede terrestre até chegar ao destino, transferindo a complexidade do sistema para o solo, onde a administração é mais fácil. O projeto Teledesic prevê a utilização da Internet sem depender dos sistemas telefônicos e com alta largura de banda, utilizando 30 satélites em órbita baixa. Cada satélite tem capacidade de rotear os pacotes para seus satélites vizinhos.

Bibliografia: 1. SOARES, L. F. G., LEMOS,G. e COLCHER, S.: “Redes de Computadores: das LANs, MANs e WANs às Redes ATM”, 2ª Ed., Rio de Janeiro, Ed. Campus, 1995. 2. TANENBAUM, A. S.: “Redes de Computadores”, Tradução da 4ª edição, Rio de Janeiro, Ed. Campus, 2003. 3. GALLO, MICHAEL A., HANCOCK, W. M.: “Comunicação entre Computadores e Tecnologías de Rede”, São Paulo, 2003. Recomendação Ler capítulo 4, itens 4.1 e 4.3, capítulo 5, itens 5.2.2, 5.3, 5.4 e capítulo 6, do livro 1, da bibliografia.

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