Fundamentos de Redes de Computadores - Apresentação e Conceitos Básicos

REDES DE COMPUTADORES E SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO João Roberto Ursino da Cruz 2 1 FUNDAMENTOS DE REDES DE COMPUTADORES Apresentação Olá caro estudante Seja bemvindo ao curso de Redes de Computadores e Comunicação Em nosso primeiro bloco vamos conhecer os principais conceitos básicos relacionados às redes de computadores e à comunicação de dados Também iremos compreender os principais conceitos relacionados à internet e como os dados trafegam na rede mundial de computadores Finalizaremos este bloco compreendendo as diferenças entre sinais analógicos e digitais e como os computadores fazem para transmitilos Ao concluir este bloco você estará apto a compreender como as redes de computadores revolucionaram a história e criaram uma forma de trabalharmos estudarmos e até mesmo de nos relacionarmos Vamos lá 11 Introdução às redes de computadores Conceitos básicos Para que possamos compreender nosso material de estudo de forma mais clara precisamos conceituar alguns dos termos que serão amplamente utilizados Redes de computador são conjuntos de máquinas destinadas ao processamento de dados independentes com conexão entre seus sistemas operacionais por apenas um processo tecnológico TANENBAUM 2003 ou seja cada um dos computadores ligados a uma rede possui capacidade independente de processamento e é suportado por um sistema operacional independente Host nó de rede diz respeito a quaisquer máquinas conectadas a uma rede de computadores podendo ser um computador um servidor uma impressora um dispositivo de rede ou mesmo um dispositivo IoT 3 Protocolos protocols são um conjunto de regras e instruções que se destinam a criar o parâmetro de funcionamento de um serviço de um sistema e até mesmo de um componente de hardware Normalmente estudamos protocolos mais ligados à comunicação de dados TCPIP HTTP FTP WWW mas existem diversos outros tipos de protocolos alguns que usamos em nosso dia a dia muitas vezes sem saber inclusive que estamos usando um protocolo e outros mais específicos Mídias ao falarmos em comunicação de redes de computadores são consideradas mídias os canais que são usados para trafegar os dados entre um host e outro Essas mídias podem ser físicas Cabo UTP Cabo Fibraóptica entre outros ou não o ar por exemplo em uma transmissão sonora ou de redes sem fio Projeto de redes de computadores ao falarmos de projetos de rede normalmente eles são divididos em dois tipos Projetos de Redes de Dados têm um foco maior nos sistemas protocolos e serviços utilizados para garantir a interconectividade dos computadores Redes de Computadores têm um foco maior nos dispositivos físicos computadores servidores dispositivos de conexão entre outros Alguns autores usam os dois termos como sinônimos e inclusive compreendem que um completa o outro para se ter uma rede em sua plenitude mas em nosso material usaremos os dois conceitos como postos acima para auxiliar nos estudos de projetos de redes 12 Internet conceito histórico e tráfego de dados Quando estudamos a história da evolução dos computadores e da microinformática é comum percebermos que até os anos 1970 os computadores eram bem diferentes do que conhecemos hoje em dia De grandes máquinas que chegavam a ocupar setores inteiros nas poucas corporações que possuíam dinheiro para investir naquelas tecnologias passaram a pequenos dispositivos móveis que cabem em nossos bolsos e que estão acessíveis para grande parte da população mundial 4 Fonte Autor adaptação Figura 11 Evolução das arquiteturas de computadores até a década de 80 Grande parte dessa evolução tecnológica ocorreu graças às redes de computadores e ao volume exponencial de dados que trafegam nelas contudo é válido ressaltar que a história das comunicações de dados entre computadores se iniciou de forma modesta Nos anos 1960 a tecnologia para armazenamento de dados consistia em cartões perfurados que conseguiam armazenar entre 60 e 80 caracteres e mesmo parecendo pouco para os padrões de hoje eram uma revolução para época pois não havia nenhuma outra forma de armazenamento externo de dados O padrão desenvolvido pela IBM perdurou até o final da década seguinte e conceitos desenvolvidos nesse padrão são usados até hoje para a transmissão de dados Fonte Shutterstock Figura 12 Cartão perfurado padrão IBM 12 linhas x 80 colunas 5 A possibilidade de se interligar os dados entre computadores a distância foi uma das inspirações para a criação entre 1969 e 1972 da ARPANET Advanced Research Projects Agency que é o marco inicial do que hoje conhecemos como internet O embrião da ARPANET surgiu ainda em 1969 com apenas 4 computadores interligados entre si por um link de apenas 50 kpbs e uma linha telefônica dedicada que foi adaptada apenas para transmissão de dados O projeto rapidamente foi aprovado entre os diversos serviços de segurança americanos e universidades e em 1973 já tinha mais de 30 nós conectados e conseguia transmitir até 825 caracteres de texto por minuto Posteriormente iremos contar mais sobre a evolução da ARPANET e seu legado Um dos fatores que atraíam tantas instituições interessadas em usar essa nova tecnologia eram os serviços que estavam sendo desenvolvidos pelas universidades para serem usados nessa rede de computadores serviços como o email 1971 o TELNET 1969 e o FTP 1971 que permitiam não apenas a leitura e envio de informações digitais de uma maneira muito mais rápida do que qualquer serviço da época mas também eram capazes de transmitir informações digitais entre servidores espalhados a longas distâncias Ainda nos anos 1970 precisamente em 1973 a Xerox desenvolve um padrão para comunicação entre computadores locais Esse padrão ficou conhecido como Ethernet Permitia a conexão de até 256 estações de trabalho conectadas por cabos coaxiais com uma velocidade de transmissão de até 294 megabites Ainda assim durante grande parte dos anos 1970 nos ambientes corporativos o que predominou foram os modelos de arquitetura centralizada que no Brasil ficaram conhecidos como CPD Central de Processamento de Dados Esse modelo consistia em uma arquitetura com um computador único que era operado por especialistas em processamento de dados e que eram responsáveis por inserir as informações processá las e entregar os resultados no formato de relatórios impressos 6 Um dos principais fatores para que o uso do modelo centralizado fosse muito utilizado pelas corporações estava relacionado aos protocolos de troca de dados oferecidos pelos fabricantes de computadores durante esse período Embora a vontade e em muitos casos a necessidade da criação de redes compartilhadas já estivessem disponíveis os principais fabricantes de computadores preferiam utilizar protocolos proprietários o que impedia que computadores de fabricantes diferentes fossem instalados em uma mesma rede Assim caso uma empresa decidisse investir em uma rede com computadores era necessário desenvolver um projeto que contemplasse todos os dispositivos de um único fornecedor Nos anos 1980 com o surgimento da arquitetura PC dos sistemas operacionais multitarefa e da popularização do padrão ethernet o modelo centralizado foi gradativamente substituído por um modelo interconectado capaz de compartilhar poder de processamento banco de dados itens de hardware dentre outras possibilidades TANENBAUM 2010 Mas o que redes de computadores locais e internet têm em comum Como iremos estudar posteriormente o crescimento das redes locais utilizando o padrão ethernet e o próprio processo de globalização das empresas fizeram com que surgisse a necessidade de se integrar essas redes locais e nesse momento a ARPANET já havia adotado o protocolo TCPIP que passou a ser a solução mais simples Hardwares desenvolvidos dentro do padrão Ethernet e Sistemas Operacionais que permitiam o tráfego de dados por protocolos como o TCPIP foram o casamento perfeito para a popularização do que conhecemos hoje como internet Nas décadas seguintes o desenvolvimento da conectividade entre computadores teve um crescimento exponencial Esse material tem como principal objetivo apresentar essa evolução e os componentes físicos e lógicos ligados a ela Dos gigantes computadores aos minúsculos celulares vamos compreender a evolução das redes de computadores e do processo de comunicação de dados 7 13 Transmissão de dados Sinais analógicos e digitais Para compreendermos o processo de comunicação de dados é necessário inicialmente entendermos os formatos dos sinais de transmissão de dados pacotes Eles são denominados sinais analógicos e sinais digitais Mas o que são esses sinais Quais são as diferenças entre eles Como eles influenciam na transmissão de dados em redes de computadores Para que possamos compreender esses formatos de sinais de transmissão antes necessitamos compreender os elementos do um processo de comunicação Para exemplificarmos o processo de comunicação e seus elementos vamos imaginar uma conversa entre duas pessoas Vamos lá O primeiro elemento da comunicação é conhecido como origem da mensagem A origem da mensagem consiste no estímulo para iniciar a comunicação Esse elemento é o responsável por estimular o codificador a buscar os símbolos para o início da comunicação Ao visualizar a outra pessoa podemos lembrar de darlhe uma informação sobre a Maria Fonte adaptado de Shutterstock Figura 13 Personagem de um processo de comunicação 8 O codificador é responsável por formar a mensagem Para isso ele irá buscar imagens armazenadas chamadas de símbolos e as ordena de maneira lógica Para tanto o codificador usa um conjunto de regras conhecidos como linguagem ou protocolo Fonte adaptado de Shutterstock Figura 14 Elementos iniciais de um processo de comunicação humana Após a criação da mensagem pelo codificador a mensagem é encaminhada ao emissor que é responsável por transformar a mensagem de maneira que possa ser enviada pelo canal Fonte adaptado de httpsptwikipediaorgwikiAparelhofonador Figura 15 Sistema Sonoro Elementos do processo de comunicação humana As cordas vocais recebem a mensagem e vibram de maneira que ela é transformada em ondas sonoras e transmitidas pelo ar o canal 9 A transmissão é feita pelo canal e caso não haja ruídos a mensagem deverá chegar a outro elemento importante da comunicação o receptor Fonte adaptado de Shutterstock Figura 16 Mensagem sendo propagada pelo canal Maria es felizzz O receptor é responsável por coletar a mensagem do canal e enviála para o decodificador Figura 17 Sistema Auditivo Elemento do processo de comunicação humana O decodificador recebe a mensagem do receptor e usando a linguagem como referência ele transforma as informações contidas nela em símbolos que são compreendidos por ele 10 Fonte adaptado de Shutterstock Figura 18 Elementos finais do processo de comunicação humana Para que a mensagem porém seja compreendida é necessário observar que alguns requisitos sejam atendidos Vamos pensar Como o canal possuía ruídos estes danificaram a mensagem a ponto de o Decodificador não conseguir identificar os símbolos Havia muito barulho e o receptor não conseguiu entender o que foi dito O decodificador possui a linguagem protocolo que o codificador utilizou para codificar a mensagem Ele fala português O decodificador possui os mesmos símbolos que o codificador Ele sabe quem é a Maria Observe que mesmo parecendo simples o processo de comunicação envolve vários elementos e variáveis que podem interferir no sucesso da transmissão da mensagem Mas nesse momento você deve estar se perguntando o que isso tem a ver com redes de computadores e comunicação de dados Para responder à sua pergunta vamos apenas substituir o exemplo dado pelo envio de um email A origem da mensagem é determinada pelo estímulo do usuário de enviar o email O codificador é o software utilizado para enviar a mensagem Junto com o sistema operacional ele deve buscar os símbolos escolhidos pelo usuário e ordenálos de maneira lógica Para tal ele irá usar um conjunto de protocolos instalados que irão transformála em algo que pode ser entendido pelo hardware 11 Na sequência a mensagem é entregue para o meiofísico a placa de rede por exemplo que usando de outros protocolos irá partir a mensagem em pequenos pacotes e enviá los pelo canal correspondente o cabo no caso de uma transmissão convencional ou o ar por uma transmissão por sinal Ao chegar ao computador de destino o receptor a placa de rede deve coletar os dados que chegaram pelo canal e reorganizálos antes de enviar para o decodificador Sistema Operacional e o software de leitura de email que decodificaram a mensagem e a exibirão na tela para o destinatário Observe que assim como na conversa entre duas pessoas a recepção correta do email só será possível se o computador de destino tiver os mesmos protocolos e conhecer os mesmos símbolos que o computador de origem Muito interessante isso heim Você já tinha percebido que a comunicação de dados é totalmente baseada nos diversos outros meios de comunicação que existem Ainda usando nosso exemplo da conversa entre o emissor e o receptor quando a mensagem se propaga pelo canal ela o fez em formato de ondas as chamadas ondas sonoras ou simplesmente som O som é uma onda mecânica tipo de onda que precisa de um meio de propagação tridimensional propagase em todas as direções e longitudinal o tipo de vibração que gera é paralela à sua propagação SILVA JUNIOR 2022 A forma como compreendemos as informações na vida real é analógica ou seja o som por exemplo possui um grande número de variações de frequência e amplitude e para que nosso sistema auditivo seja capaz de captálo no canal e compreendêlo ele deve estar apto a tal Os seres humanos por exemplo só são capazes de ouvir sons entre 20 Hz e 20000 Hz já um golfinho consegue ouvir sons entre 150 Hz e 150000 Hz 12 Os primeiros aparelhos de transmissão de sinais a longa distância tentavam reproduzir os sinais analógicos e suas variações mas o grande problema é que o estresse ou ruídos existentes no canal acabavam por danificar em parte a onda e os aparelhos receptores por sua vez não eram capazes de identificar e corrigir as variações causadas pelo estresse do canal Fonte httpsscc10combrnossosccsinaldetvanalogicodosccsbtemchapecoseradesligado nestaterca Figura 19 Exemplo de recepção de sinal de transmissão analógica A imagem acima é um exemplo de uma transmissão analógica recebida por um aparelho de televisão O televisor recebia uma transmissão de imagem e sons analógicos que haviam sofrido ruídos atmosféricos porém como a transmissão era analógica o televisor não era capaz de diferenciar o sinal original e as deformações causadas pelo canal e com isso o resultado era uma reprodução imperfeita da imagem e do som originalmente transmitidos As ondas analógicas apresentam uma variação contínua de frequência e amplitude A frequência de uma onda é o número de oscilações observadas em um determinado intervalo de tempo A amplitude de uma onda é representada pela sua altura em relação ao ponto de equilíbrio ROSSI 2021 13 Porém com a evolução da transmissão de dados em especial aquela focada na longa distância por meios computacionais desenvolveuse um método a transmissão digital O sinal digital consiste em um conjunto de algoritmos que convertem o sinal analógico considerando um intervalo de tempo predeterminado e de uma amostra da variação desse sinal nesse intervalo de tempo Fonte Rossi 2021 Figura 110 Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos A principal vantagem da transmissão digital em relação à analógica é que caso a mensagem sofra deformações entre o emissor e o receptor essas deformações são facilmente detectadas e quando possível corrigidas A conversão do sinal de analógico para digital é chamada de modulação e a conversão de digital para analógico é chamada de demodulação E o dispositivo responsável por executar essas conversões é conhecido como Modem MOdulador e DEModulador 14 Fonte Shutterstock Figura 111 Exemplos de dispositivos MODEM Outra grande vantagem do sinal digital em relação ao sinal analógico é que este é mais facilmente propagado pelos canais sejam os físicos por exemplo cabos de cobre ou não por exemplo ar Fonte Adobe Stock Figura 112 Rede cabeada canal físico e Redes de Sinal Conclusão Neste bloco estudamos os principais conceitos básicos relacionados às redes de computadores e à comunicação de dados Vimos também as diferenças entre sinais analógicos e digitais e como os computadores fazem para transmitilos e finalizamos o bloco contando um pouco da história da internet Em nosso próximo bloco iremos aprender mais sobre topologias de redes e sobre os modelos de camada de rede Bons estudos 15 REFERÊNCIAS COMER D E Redes de Computadores e Internet Porto Alegre Bookman 2016 e book FOROUZAN B A Comunicação de dados e redes de computadores Porto Alegre Bookman 2010 ebook IBM IBM Brasil 100 Disponível em httpswwwibmcomdownloadscasLZXKE5DD Acesso em 15 jun 2022 MENDES D R Redes de computadores teoria e prática São Paulo Novatec 2020 MONTEIRO J C B História das Redes Portal 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