Topologias e Camadas de Rede em Redes de Computadores

REDES DE COMPUTADORES E SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO João Roberto Ursino da Cruz 2 2 TOPOLOGIAS E CAMADAS DE REDE Apresentação Seja bemvindo novamente caro estudante No bloco anterior começamos sua caminhada para aprender mais sobre as Redes de Computadores e Comunicação de Dados Vimos como surgiram as primeiras redes de computador e como elas evoluíram até os dias atuais Aprendemos também como funciona o processo de comunicação de dados e como seus elementos são semelhantes aos de outros processos de comunicação como o humano Finalizamos o bloco anterior aprendendo sobre sinais analógicos e digitais suas vantagens e desvantagens no processo de transmissão de dados a longa distância Neste bloco iremos estudar sobre as topologias de redes iremos conhecer os principais dispositivos de conexão e como eles influenciam em um projeto de redes Finalizaremos estudando os modelos de camada OSI e TCPIP e como esses modelos ajudam no desenvolvimento de dispositivos de redes de computadores 21 Topologias de redes Um conjunto de computadores autônomos interconectados por uma única tecnologia TANENBAUM 2011 A definição apresentada por Tanenbaum é uma das muitas que se propõem a explicar de forma simplificada um projeto de arquitetura usado para se construir uma rede de computadores ou simplesmente topologia de rede O termo topologia de rede referese à maneira como os computadores ou simplesmente nós são interligados para que haja a comunicação em uma rede de dados Essa interligação pode ser física ou em sinais radiofrequência bluetooth micro ondas 3 Fonte Autor Figura 21 Redes físicas e de sinal A topologia de redes pode ser classificada em oito categorias diferentes sendo elas PAN LAN MAN e WAN topologias lógicas e PontoaPonto Barramento Anel e Estrela topologias físicas As topologias lógicas consideram a forma como os dados são transmitidos em uma rede e não levam em consideração os equipamentos nós instalados nessa rede Já as topologias físicas têm como foco descrever a forma como os nós são ligados entre si Vamos então conhecer as topologias lógicas PAN Personal Area Network as chamadas redes pessoais são redes em que os dispositivos estão próximos uns dos outros e em alguns casos inclusive dentro de um mesmo dispositivo funcionando de forma independente mais interconectados Um exemplo das redes do tipo PAN é o próprio computador Ele possui diversos dispositivos conectados a ele que funcionam de forma independente teclado mouse impressora Outro exemplo menos usual são as chamadas redes de backup nas quais um servidor secundário é conectado diretamente ao servidor principal e este servidor secundário é programado para replicar dados armazenados no principal Essa rede é totalmente independente da rede na qual o servidor principal está conectado e geralmente tem um foco maior na alta performance 4 Fonte Autor Figura 22 Rede de Backup exemplo de topologia PAN O termo pessoais em muitos casos gera uma confusão em relação a outras topologias Para que você compreenda basta se lembrar que quando estudamos topologias o usuário são os nós da rede ou seja os computadores e não a pessoa que está usando o computador LAN Local Area Network as redes locais são redes particulares que podem ter sua topologia projetada para ser usada em uma sala única em um escritório em um prédio inteiro e até em um conjunto inteiro de prédios como por exemplo o campus de uma universidade mas sempre com a característica de que a gestão dos recursos e serviços são locais Em uma rede LAN se a equipe de tecnologia receber a incumbência de implementar um novo nó basta que verifique a disponibilidade física e faça as configurações no nó sem necessitar solicitar autorizações a nenhum órgão público responsável assim como se a mesma equipe optar por fornecer um novo serviço na rede por exemplo a possibilidade de se usar uma pasta compartilhada para armazenar arquivos não haverá a necessidade de se contratar ou solicitar a autorização de nenhum fornecedor externo As redes locais podem ser redes físicas de sinal ou híbridas 5 Fonte Autor Figura 23 Rede híbrida Exemplo de rede LAN Ao falarmos em redes locais o IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers que é o órgão internacional responsável pela padronização das topologias de rede e dos equipamentos utilizados nas redes apresenta dois padrões o IEEE 8023 também chamado de padrão Ethernet descreve as redes cabeadas ou redes físicas já o padrão 80211 descreve as redes de sinal em ênfase a rede WiFi MAN Metropolitan Area Network as chamadas redes metropolitanas recebem esse nome porque são projetadas para fornecerem o mesmo serviço para uma cidade inteira ou até mesmo um conjunto de cidades Como exemplo de uma rede do tipo MAN podemos citar uma rede de TV a Cabo ou mesmo uma rede de Rádio AM ou FM Para que essas redes possam ser implantadas em uma cidade a sua operadora necessita de uma concessão ou seja uma autorização do município para poder operar no território Para compreendermos por que uma empresa que transmite pacotes de dados por radiofrequência sinal necessita de uma concessão é importante lembrarmos que o espaço aéreo no Brasil pertence à União e que quaisquer serviços que utilizem esse espaço aéreo necessitam de autorização federal estadual eou municipal LEI Nº 13879 DE 3 DE OUTUBRO DE 2019 Porém ao estudarmos topologia de redes de computador é importante percebemos que ao falarmos sobre redes MAN estamos pensando em uma rede única não segmentada Essa informação é importante para as diferenciarmos das redes WAN que iremos estudar a seguir 6 Recentemente algumas operadoras de telefonia passaram a oferecer a chamada internet de longa distância Essas redes conhecidas como WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access também são consideradas como redes do tipo MAN O padrão das redes WIMAX também é conhecido como IEEE 80216 prevê rede de radiofrequência de alta performance baseada em células de transmissão as mesmas dos celulares e com o alcance de distância do repetidor mais próximo WAN Wide Area Network as redes do tipo WAN conhecidas como redes de longa distância podem ligar redes LAN separadas por distâncias que vão de uma única rua ou bairro até outros municípios países ou até mesmo continentes Porém ao contrário de uma rede MAN que possui uma limitação regional por ser uma rede única as redes WAN são na verdade um conjunto de subredes ou seja um conjunto de redes interligadas entre si podendo em alguns casos utilizar mídias diferentes em segmentos diferentes para que a mensagem chegue ao seu destino Para que possamos entender como funciona uma WAN vamos usar como exemplo um email que esteja sendo transmitido de uma filial na cidade de São Paulo no Brasil para a matriz na cidade de Lisboa em Portugal O computador local usando o serviço de email irá enviar a mensagem ao servidor local Este por sua vez irá enviar o email a um servidor de serviço externo passando por um conjunto de segmentos de rede administrados pela operadora de serviço local A operadora de serviços ao identificar o destino irá encaminhar a mensagem por um conjunto de segmentos de rede de longa distância que podem ser administrados por ela ou por outras empresas Como estamos falando em uma transmissão transcontinental em algum momento um desses segmentos poderá ser um segmento de cabos transcontinentais ou um satélite de baixa órbita dependendo do serviço que foi contratado eou da disponibilidade Ao chegar a outro país a mensagem será entregue em um outro servidor que por sua vez irá encaminhar a mensagem por um novo conjunto de segmentos de redes de longa distância até o servidor de serviços da operadora local 7 Este servidor irá encaminhar por um novo conjunto de segmentos de rede administrados pela operadora de serviço local até o servidor local da Matriz que usando seu serviço de email local irá identificar o nó local e enviarlhe o aviso de disponibilidade da mensagem Fonte Cabe Maps Figura 24 Mapa de cabos submarinos transcontinentais Mas após ler sobre essa simples transmissão de uma mensagem entre dois nós em uma rede do tipo WAN você deve estar se perguntando como os servidores sabem onde estão cada um dos nós e como achar um nó específico em um conjunto quase infinito de nós Não se preocupe com isso nesse momento Posteriormente iremos estudar mais sobre endereçamento de rede e sobre os protocolos responsáveis por isso Curiosidade A CABE MAPS é um serviço que permite acompanhar em tempo real todos os nós ligados a cabos submarinos transcontinentais e obter informações de estatística e de pesquisa sobre esses cabos httpswwwsubmarinecablemapcom 8 As redes do tipo WAN podem possuir algumas variações dependendo do serviço contratado pela empresa local Dois exemplos dessas variações são a chamada VPN Virtual Private Network que consiste na contratação de um canal de transmissão de internet dedicado que oferece maior segurança performance e velocidade e a ISP Internet Service Provider que consiste na contratação de um serviço de internet que é operado não por um único provedor mas por um conjunto de provedores de internet Agora que já conhecemos como as redes se classificam ao considerarmos as topologias lógicas vamos observar como elas se classificam ao analisarmos as topologias físicas PontoaPonto PeertoPeer As redes PontoaPonto são redes que possuem apenas dois nós e um único segmento A topologia PontoaPonto descreve as redes mais simples que existem Fonte Autor Figura 25 Rede PontoaPonto ou PeertoPeer O cabo usado nesse tipo de redes é chamado de crossover e consiste em um cabo UTP categoria 5 ou 6 que possui em cada uma das pontas um padrão de crimpagem diferente T568A T568B A inversão dos padrões garante que os sinais de envio pacotes de dados cheguem à conexão correta Fonte adaptação Convex Figura 26 Cabo Crossover 9 Barramento Bus a topologia de barramento consiste em uma topologia baseada em um segmento principal conhecido como tronco ou backbone segmentos menores que interligam os nós a esse tronco de redes PontoaPonto são redes que possuem apenas dois nós e um único segmento Fonte Autor Figura 27 Rede Barramento ou Bus As topologias de barramento possuem como principal vantagem a fácil implementação e o uso de cabos coaxiais que permitem uma maior velocidade de tráfego de dados e uma maior distância de cada segmento Porém duas desvantagens são muito fortemente percebidas se uma das conexões é perdida a rede toda para ou seja se um nó está desconectado à rede deixa de funcionar e o grande volume de colisão de dados que acontecem no barramento que provocam a retransmissão dos pacotes de dados várias vezes Fonte Autor Figura 2 Colisão de pacotes no barramento 10 Toda vez que dois pacotes colidem em um segmento eles simplesmente são destruídos Para resolver os problemas resultantes da colisão de pacotes o nó de origem que não recebe a confirmação do recebimento do nó de destino apenas reenvia novamente o mesmo pacote e repete esse processo até receber a confirmação de recebimento Esse processo resolve várias falhas na comunicação porém aumenta exponencialmente o tráfego de pacotes no segmento Uma outra desvantagem das redes de barramento é que ao enviar o pacote em uma direção do barramento a topologia não se preocupava com a hipótese de o nó de destino estar na outra direção pois se o pacote chegar ao final do barramento entendese que o pacote não encontrou seu destino e ele é simplesmente destruído em cada ponta do barramento existe uma peça chamada terminador que é responsável por fechar o cabo Fonte Autor Figura 3 Transmissão unidirecional de pacote em rede de barramento 11 Fonte Autor Figura 4 Placa de rede coaxial e componentes de conexão para montagem das redes de topologia barramento e anel Anel Ring a topologia de anel é uma evolução da topologia de barramento Desenvolvida pela IBM a topologia se propunha a resolver dois dos grandes problemas de sua antecessora as colisões e a perda de pacotes ambos explicados anteriormente Ao contrário das redes de barramento nas quais todos os segmentos eram conectados a um segmento central o barramento nas redes do tipo anel cada segmento conecta um nó ao próximo nó e o envio de cada pacote em um dado segmento somente é feito após a confirmação de que outro pacote já não está usando esse mesmo segmento Fonte Autor Figura 211 Redes de Anel ou Ring Outra vantagem que a rede de topologia anel trazia em relação à rede de barramento é que cada nó passava a ser um amplificador do sinal de envio do pacote o que permitia um maior alcance dessa rede Os primeiros projetos de redes do tipo WAN usavam essa topologia 12 Ainda ao falarmos das vantagens das redes de topologia anel em relação às redes de barramentos destacase que elas são divididas em dois tipos as unidirecionais nas quais os pacotes eram todos enviados em uma única direção de nó em nó até atingir o nó destino e as bidirecionais nas quais o pacote é enviado nas duas direções fazendo com que o pacote mais próximo do nó destino chegue mais rápido Ao falarmos de desvantagens da topologia anel a primeira é óbvia Para reduzir o número de colisões ela somente envia o pacote para o próximo nó quando o segmento estiver vazio o que resulta num maior tempo de espera entre cada salto do pacote A segunda desvantagem é que por ser uma rede de tecnologia proprietária os custos para implantação das redes de topologia anel são muito mais elevados do que todas as outras topologias Estrela Star a topologia estrela é a mais utilizada nos dias de hoje e consiste em um equipamento concentrador Hub Switch que permite um conjunto de cabos interconectados a esse equipamento conforme vemos na figura a seguir O principal diferencial entre a topologia de estrela e as demais topologias é que nesta cada conjunto de nó cabo segmento e a porta conectada ao concentrador são independentes ou seja caso um nó da rede esteja desconectado apenas o segmento no qual ele está ligado deixará de funcionar mantendo o resto da rede conectada Fonte Autor Figura 212 Rede de topologia estrela ou Star 13 Posteriormente iremos aprender que cada um dos concentradores utilizados em uma rede de topologia estrela trata de forma diferente cada um dos segmentos ligados a ele A topologia de estrela foi desenvolvida com um foco aos chamados cabos UTP e em especial os cabos CAT 5 6 e o 7 que são cabos mais modernos que permitem uma maior velocidade no tráfego da informação e são totalmente compatíveis com o padrão Ethernet que é o padrão utilizado pela grande maioria dos fabricantes de dispositivos de rede no mundo Uma curiosidade sobre o cabeamento utilizado nas redes de topologia estrela é que ao contrário do crossover que estudamos ao falarmos da topologia pontoaponto os cabos dessa topologia devem ter nas duas pontas o mesmo padrão pois a inversão de sinais de transmissão TXTX e recepção RX RX são feitos pelo concentrador Normalmente ao representamos a topologia estrela utilizamos apenas cinco nós e um único concentrador Essa é apenas uma representação figurativa da topologia pois o número de nós possíveis em uma rede do tipo estrela depende do número de portas disponíveis em um concentrador e em alguns casos é possível implementar uma topologia de cascata ou seja ligar vários concentradores uns aos outros ampliando o número de portas disponíveis e consecutivamente o número de nós que poderão ser implementados na rede Fonte adaptado de Shutterstock Figura 213 Dispositivo de rede Switch com destaque às portas de conexão 14 Malha Mesh além das oito categorias estudadas nesta apostila existem as chamadas redes híbridas que nada mais são do que combinações das topologias estudadas A imagem a seguir é um exemplo da chamada topologia de árvore tree que é considerada uma topologia mista A topologia consiste em um tronco principal que possui um concentrador ligado em cascata num conjunto de outros concentradores galhos que distribuem os pacotes de dados para os nós por segmentos de redes ramos mas ao se observar com bastante atenção se perceberá que essa topologia apresentada na imagem prevê quatro barramentos que em cada ponta têm uma estrela Fonte adaptado de Tanenbaum 2011 Figura 214 Topologia de Árvore ou Tree Porém a rede de Malhas vem ganhando destaque pois é a mais utilizada em projetos de rede sem fio em especial nas chamadas redes WiFi A topologia de Malha prevê um concentrador que se conecta a todos os nós da rede e todos os nós se conectam entre si criando uma malha de nós consumindo a mesma rede de dados Fonte Autor Figura 215 Exemplos de Topologia de Malha ou Mesh 15 Agora após estudar sobre todas as topologias utilizadas em redes de computadores você deve estar se perguntando para que servem as topologias e a resposta é muito simples ao entender como os computadores são organizados de forma lógica eou física você já é capaz de compreender a importância do planejamento da infraestrutura de uma rede de computadores No próximo tópico iremos nos aprimorar ainda mais no funcionamento das redes de computador conhecendo os dispositivos utilizados nas redes de computadores 22 Dispositivos de conexão No tópico anterior aprendemos como os computadores e outros dispositivos são agrupados em um projeto de redes as chamadas topologias e ainda vimos alguns conceitos importantes ao descrevermos esses agrupamentos Neste tópico vamos nos concentrar em falarmos mais sobre os diversos dispositivos utilizados em uma rede de computadores e como esses dispositivos fazem a comunicação de dados Antes porém é importante ressaltarmos dois pontos importantes o primeiro é que com a evolução das redes de computadores muitos dispositivos que eram utilizados em topologias antigas deixaram de existir e suas funcionalidades foram incorporadas a outros Nesta apostila vamos nos focar nos principais dispositivos para novos projetos de rede e suas funcionalidades e também é importante compreendermos que os mesmos dispositivos podem possuir variações de acordo com a mídia cabo radiofrequência que será usada para transmitir os pacotes de dados Para compreendermos a função dos dispositivos de conexão precisamos primeiro entender que esses dispositivos em sua grande maioria são os responsáveis por enviar e receber os pacotes de dados pelas mídias posteriormente vamos estudar mais sobre os tipos de mídia e que a transmissão desses pulsos pelas mídias possui limitações de velocidade e distância de acordo com diversos fatores dentre eles inclusive o próprio dispositivo utilizado para o envio do pulso 16 Para compreender isso vamos retomar nosso exemplo de uma conversa entre duas pessoas Se uma dessas pessoas emissor fala sempre com um tom moderado e a pessoa que vai ouvir receptor está distante o receptor terá dificuldades de ouvir a fala mensagem e terá problemas em compreender o que foi transmitido Da mesma forma se a distância entre dois nós da rede excede o estabelecido com alcance do dispositivo naquela mídia o sinal de transmissão do pacote de dados pode chegar muito fraco ou não chegar e isso irá impedir que o outro nó compreenda o que foi transmitido Porém se a mesma conversa for feita usando uma ligação telefônica o aparelho dispositivo irá utilizar outra mídia e outros dispositivos que repetirão o sinal do pacote de dados permitindo que mesmo a uma grande distância o receptor ainda compreenda a mensagem mesmo que o emissor continue usando o mesmo tom de fala Então inicialmente é necessário compreender que cada dispositivo e cada mídia possuem limitações relacionadas à distância e à velocidade da transmissão o que faz com que quando um especialista faça um projeto de redes ele considere dispositivos diferentes de acordo com a topologia que irá utilizar Ao falarmos no padrão Ethernet existe um conjunto de normas técnicas determinadas pelo IEEE que indicam as limitações por tipo de dispositivos e mídias Nesta apostila não iremos nos aprofundar nesses padrões porém recomendamos fortemente que caso seja necessário você consulte os manuais que acompanham esses dispositivos pois em todos você irá encontrar as indicações dessas limitações e as normas técnicas da IEEE 17 Ainda ao falarmos do processo da transmissão dos pacotes de dados e da importância dos dispositivos nesse processo vamos relembrar a transmissão de um pacote por um cabo crossover que estudamos na topologia pontoaponto Fonte Autor Figura 216 Esquema de transmissão de pacote de dados em um cabo crossover Nele vemos que os dois primeiros pinos do cabo UTP 1 e 2 são responsáveis por transmitir o pacote de dados TX e TX do dispositivo de origem mas que os pinos de recebimento RX e RX desse pacote no receptor são outros 3 e 6 e como não há nenhum outro dispositivo envolvido no envio para que o pacote de dados chegue aos pinos corretos temos que fazer essa troca fisicamente no cabo por isso o cabo crossover é tão importante na topologia pontoaponto Fonte Autor Figura 217 Esquema de transmissão com cabo ethernet 586A com e sem dispositivo 18 Obviamente se usarmos um cabo de rede normal nesse exemplo um cabo padrão Ethernet 568A e tentarmos ligar dois nós da rede diretamente o pacote de dados não chegará aos pinos de recebimento porém se utilizarmos qualquer dispositivo de conexão no padrão Ethernet ele irá fazer internamente a inversão e o sinal o que fará com que o pacote de dados chegue aos pinos corretos Na imagem acima a inversão do sinal e o redirecionamento para os pinos corretos Outro conceito importante para compreendermos a diferença entre os dispositivos é a forma como eles direcionam os sinais dos pacotes de dados em uma rede e o conceito de segmento de rede Ao pensarmos em uma rede de computadores principalmente ao pensarmos em redes com mídias físicas cabos logo imaginamos um cabo que sai do computador e vai direto até o servidor mas na verdade não é bem assim que as redes de computadores físicas funcionam Elas são vários pedaços de cabos segmentos que são ligados uns aos outros por dispositivos Mas você deve estar se perguntando nesse momento Por que essa informação é relevante para que eu pense em um projeto de rede A resposta é muito simples cada tipo de dispositivo irá direcionar e tratar os pacotes de dados em uma rede de acordo com os segmentos conectados a ele Para facilitarmos a compreensão desse conceito iremos usar como exemplo uma rede com cabeamento UTP por ser a mais utilizada nas empresas atualmente Fonte Autor Figura 218 Exemplo de Segmentos de rede 19 Nesse exemplo o nó 1 será nosso computador de origem e o nó 2 será nosso computador de destino Entre eles foi colocado um dispositivo de conexão Esse dispositivo pode ter sido posto porque ao usar um cabo UTP a distância entre os nós 1 e 2 pode exceder o recomendado pelo padrão ethernet 105 metros ou porque simplesmente iremos futuramente ampliar nossa rede com o acréscimo de outros nós Todo dispositivo de conexão tem pelo menos uma porta de conexão por exemplo uma placa de rede mas poderá ter várias portas Cada porta de conexão ou interface possui um endereço de identificação único gravado pelo fabricante Essa identificação é conhecida como endereço MAC Media Access Control Os endereços MAC possuem uma padronização que quando seguida à risca pelos fabricantes garantem que cada interface de rede seja única e que não haja conflito entre dispositivos em redes locais A IEEE é responsável por fornecer os ranges dentro do padrão para os fabricantes de dispositivos de rede regularizados por isso é sempre muito importante usar dispositivos de fornecedores confiáveis em seus projetos O padrão do endereço MAC é composto por um conjunto de 6 bits representados de forma hexadecimal e separados por dois pontos Exemplo A0C6AAF9BAE3 Os dispositivos de rede são divididos em repetidores e segmentadores Nos dispositivos repetidores o dispositivo não é capaz de identificar o endereço MAC dos nós que estão na outra ponta do segmento Para garantir que o pacote de dados chegue ao dispositivo de destino o dispositivo repetidor envia uma cópia do pacote por todos os demais segmentos ligados a ele e aguarda que um deles responda com a confirmação de recebimento do pacote 20 Fonte Autor Figura 219 Esquema de transmissão de sinal com o uso de um dispositivo repetidor A principal desvantagem dos dispositivos repetidores é que eles aumentam o volume de pacotes trafegando em cada segmento e consecutivamente o número de colisões Nos dispositivos segmentadores são capazes de identificar endereço MAC que está na outra ponta do segmento e registram essa informação toda vez que os dois dispositivos do segmento se encontram ativos Assim quando um pacote de dados é enviado ao dispositivo segmentador ele retransmite o pacote apenas no segmento no qual está o nó com interface que possui o endereço MAC de destino conforme a figura a seguir 21 Fonte Autor Figura 220 Esquema de transmissão de pacote de dados com o uso de um dispositivo segmentador Além obviamente do menor volume de transmissão de pacotes de dados em cada segmento os dispositivos segmentadores possuem uma maior redundância na confirmação da recepção dos pacotes Como desvantagem podemos apontar maior tempo entre a recepção do pacote de dados no dispositivo segmentador e salto para o próximo segmento Placa de rede as placas de redes são com certeza o principal dispositivo nas redes de computadores As mais conhecidas são as chamadas placa de rede PCI Peripheral Component Interconnect Elas recebem esse nome por serem placas de expansão que são conectadas aos slots PCI em placasmães de computadores para que estes sejam conectados à rede Atualmente grande parte das placasmães já possuem internamente um chipe correspondente a essa placa 22 Fonte Shutterstock Figura 221 Exemplos de placa de rede de expansão PCI e onboard com conector RJ45 Um erro muito comum em projetos de rede que são feitos por iniciantes é de desconsiderarem quais as placas de rede estão disponíveis em cada um dos nós Cada topologia e arquitetura de redes está ligada diretamente ao tipo de interface disponível nessas placas Placas de rede mais antigas por exemplo transmitem os dados a 10 mbps já as placas mais comuns encontradas no mercado atualmente transmitem a 100 mbps podendo chegar a 1000 mbps se usarmos uma placa com interface Fast Ethernet Mas o que isso significa Um segmento de rede que tem um dispositivo 101001000 mbps em uma das pontas e no outro uma placa de rede 10 mbps irá transmitir sempre a 10 mbps Fonte Autor Figura 222 Esquema de transmissão com dispositivos com placa de redes com taxa de transmissão diferentes Também é importante compreendermos que placas de redes com interfaces diferentes são usadas para conexões com mídias diferentes 23 Fonte Shutterstock Figura 223 Placas de redes com interfaces diferentes Também é importante compreendermos que placas de redes com interfaces diferentes são usadas para conexões com mídias diferentes Modem como já vimos anteriormente o modem é um dispositivo responsável por converter os sinais analógicos em digitais e viceversa No início da popularização da internet na década de 1990 era muito comum encontrarmos esses dispositivos em pequenas e médias empresas e até mesmo em residências Com a evolução da forma de transmissão de dados pela internet a famosa internet discada foi substituída por tecnologias com a ADSL redes móveis 4G e 5G e até mesmo a transmissão por fibra óptica porém esses dispositivos não deixaram de existir apenas foram miniaturizados e passaram a fazer parte de outros dispositivos se transformando em um componente Atualmente é comum encontrarmos outros dispositivos que são denominados como modem como por exemplo dispositivos apresentados a seguir Fonte Shutterstock Figura 224 Exemplos de dispositivos chamados popularmente de modem 24 Por conta dessa variedade de aparelhos é comum acharmos uma definição mais ampla atualmente ao nos referirmos aos modems Qualquer dispositivo de computadores de uma rede pública com uma rede privada HUB é com certeza um dos dispositivos de conexão mais simples ao falarmos de redes de computador Os mais comuns são conhecidos como hubs Ethernet 10BaseT conectores RJ45 ou seja eles transmitem dados da 10 mpbs e para isso usam o padrão ethernet com conectores RJ45 Basicamente ao receber um pacote de dado vindo de um dos outros nós da rede ele interrompe todo o tráfego de dados nos demais segmentos e retransmite o pacote recebido em todos os demais segmentos aguardando por algum tempo a confirmação de recepção da informação Fonte autor Figura 225 HUB e seu esquema de transmissão Switch podemos dizer que com a evolução das redes locais os hubs se tornaram um dispositivo obsoleto e em seu lugar surgiram os switches Os mais comuns são conhecidos como Ethernet 10100BaseT e como já é possível perceber nesse momento esse modelo permite a transmissão a uma taxa de 10 mpbs ou 100 mpbs Suas portas de conexão também são RJ45 o que permite seu uso com cabos UTP cat4 5 5A 6 6E e até 7 mas seu principal diferencial em relação aos antigos hubs é que ele é um segmentador e não um repetidor ou seja quando o pacote de dados chega a ele o switch consegue identificar qual é o endereço MAC de cada um dos nós ligados aos segmentos e sabe exatamente em qual segmento deverá enviar o pacote 25 Fonte Autor Figura 226 SWITCH e o seu esquema de transmissão Atualmente os switches são divididos em dois grupos os não gerenciáveis e os gerenciáveis Sendo que o primeiro grupo consiste em switches plugplay ou seja todas as configurações possíveis de serem usadas já foram determinadas pelo fabricante já os gerenciáveis permitem configurações avançadas como a priorização de alguns tipos de pacotes de dados o aumento da segurança no tráfego de rede a melhora do tráfego através de protocolos de gerenciamento como o SNMP Simple Network Management Protocol Os switches gerenciáveis apresentam muitas vantagens em relação aos não gerenciáveis porém o valor elevado com que eles são comercializados em geral os torna inviáveis em projetos de menor custo Roteadores routers Os roteadores são dispositivos para interconectar redes locais Ao contrário dos hubs e switches cujo objetivo é a interconexão de nós de uma mesma rede os roteadores ligam redes diferentes Fonte Autor Figura 227 Roteadores exemplo de roteadores de fabricantes diferentes 26 Outro diferencial em relação aos switches é que ao contrário deles os roteadores precisam ser configurados para poderem localizar os outros roteadores e consecutivamente transmitir o pacote de dados para outra rede local A forma de configurar um roteador e os protocolos utilizados para a comunicação do pacote de dados entre esses roteadores pode mudar de fabricante para fabricante mas na grande maioria das vezes esses dispositivos recebem um endereço TCPIP específico popularmente conhecido como IP reservado que permite que seja localizado dentro de uma rede WAN por exemplo Fonte Autor Figura 228 Esquema de transmissão de dois roteadores em uma rede WAN Ao falarmos de roteadores e seus esquemas de transmissão podemos dividilos em dois tipos diferentes os de configuração estática e os de configuração dinâmica Basicamente nos de configuração estática você irá fazer o que chamamos de configuração DePARA ou seja você irá informar a configuração do endereço origem e do endereço destino já nos roteadores dinâmicos você irá informar um conjunto de possíveis rotas de roteadores e os critérios para envio dos pacotes de dados e sempre que o roteador for enviar um pacote ele executará um algoritmo que determinará a melhor rota para que o pacote chegue ao seu destino 27 Fonte Autor Figura 229 Transmissão por roteamento dinâmico Roteador de redes sem fio popularmente conhecidos como roteadores WiFi esses dispositivos têm a função de distribuir serviços como por exemplo a internet através de um sinal de radiofrequência por uma determinada área As topologias de rede seguem o padrão IEEE 80211 sendo que esse padrão possui grande conjunto de versões 80211a 80211b 80211g 80211n 80211ac e a principal diferença entre elas são o seu raio de alcance e as frequências de transmissão que vão de 900 MHz a 60 GHz Fonte Freepik Figura 230 Roteador de redes sem fio 28 ANTENAS DOS ROTEADORES WIFI Ao contrário do que muitos pensam o número de antenas em um roteador WiFi não está relacionado com a maior velocidade ou com um maior alcance do raio de frequência O maior número de antenas permite apenas um maior número de dispositivos conectados na mesma rede O número total de utilizadores dispositivos conectados por antena depende muito da versão que está sendo utilizada pelo roteador Considerando o padrão 80211n o mais utilizado em residências e pequenas empresas estimase um número médio de 32 dispositivos por antena Modelo OSI Compreendendo o modelo Com tantos dispositivos diferentes e fabricados com diversas empresas no mundo como garantir que todos eles estejam interconectados e que a comunicação não seja perdida ou pior não seja alterada durante o trajeto entre a origem e o destino Para auxiliar a responder a essa e outras dúvidas foi que em 1984 a ISO International Standards Organization desenvolveu o modelo de referência OSI Open Systems Interconnection O modelo de referência OSI Open Systems Interconnection descreve um protocolo em camadas proposto pela ISO International Standards Organization e é uma iniciativa rumo à padronização internacional dos protocolos em camadas TANENBAUM 2011 Mas o que é o modelo OSI e como ele funciona Como já estudamos anteriormente houve um momento na evolução das redes de computadores em que as empresas que desejavam ter seus computadores interligados precisavam que todos os dispositivos de rede e nós fossem de um único fabricante pois além de usar protocolos exclusivos que garantiam que a troca da informação fosse feita apenas dentro dos padrões estabelecidos por aquele fabricante os dispositivos também tinham suas interfaces de hardware projetadas para seguirem o padrão daquele fabricante 29 Quando as redes de computador evoluíram para um modelo aberto surgiu a necessidade de se explicar a qualquer desenvolvedor de hardware e de software que desejasse desenvolver uma solução para essas redes abertas como elas funcionavam e nesse intuito a ISO desenvolve então um modelo em 7 camadas que indica como a informação viria migrar entre a aplicação até o meio físico e viceversa Fonte adaptado de Tanenbaum 2011 Figura 231 Modelo OSI Também é importante compreendermos que muitas dessas soluções de hardware não são necessariamente placas chipes e outros componentes Grande parte dessas soluções está relacionada a novos protocolos que viabilizam muitos dos serviços que utilizamos até hoje 30 Logo se um desenvolvedor desejasse criar uma solução de Transporte de dados por exemplo poderia contar que a informação que tinha sido gerada na camada de Aplicação já teria passado pelas camadas de Apresentação e de Sessão e que nesse momento essa informação já possui um formato ideal para ser transportada e que sua solução desenvolvida deveria entrar como informação na camada de Rede em um formato que essa camada compreendesse e pudesse dar continuidade ao envio Da mesma forma a solução desenvolvida deveria ser capaz de ler a informação que estivesse chegando à camada de Rede e entregála de maneira que cada Sessão fosse capaz de compreendêla Então vamos conhecer essas camadas Camada Física 1 a camada Física descreve as especificações sobre o dispositivo definições elétricas número de pinos materiais utilizados Quando estudamos a crimpagem de cabos UTP no tópico anterior por exemplo vimos que um cabo UTP deve ter filamento e que cada fio deve ser identificado com uma ou duas cores para que saibamos quais filamentos conectar para o envio correto do pacote ao destino Esse tipo de padrão baseiase em especificações determinadas na camada Física Para que possamos compreender cada uma das camadas usaremos por exemplo o envio de uma correspondência entre duas pessoas Nesse exemplo entendemos que a camada física indica as regras sob as quais devem ser construídas as estradas pelas quais os correios irão circular Camada de Enlace 2 A camada de Ligação de Dados ou Enlace de Dados é a camada responsável por gerenciar o fluxo dos dados entre o meio físico e as camadas lógicas recebe os quadros delimita seu formato transmite os quadros entre as camadas 1 e 3 Nessa camada também podem ser desenvolvidas as soluções de correção de erros que acontecem na transmissão Mas principalmente nessa camada são estabelecidos os protocolos de comunicação entre a origem e o destino dos quadros formato da informação nessa camada 31 Retomando nosso exemplo a camada de Enlace atua como o setor de triagem dos correios ou seja avalia as correspondências vê se elas estão dentro do padrão faz pequenos ajustes caso alguma informação esteja incorreta e principalmente rejeita encomendas que não sejam possíveis de ser entregues Camada de Rede 3 A camada de Rede é a responsável por estabelecer as rotas que o pacote de dados irá percorrer entre a origem e o destino O acesso a redes e subredes redes externas enfim toda a rota que o pacote percorrerá para chegar ao destino é estabelecido nessa camada Conceitos como os que já estudamos por exemplo ao falarmos de roteamento dinâmico e estático são definidos nessa camada Além das rotas que a informação percorrerá a camada de Redes gerencia o endereçamento diferente que pode ser observado entre as diversas redes conectadas as diferentes definições para o tamanho dos pacotes de dados e diferença entre protocolos A camada de Redes pode ser dividida em 3 subcamadas sendo elas Fonte adaptado de Pinheiro 2008 Figura 232 Subcamadas da camada 3 Redes A camada de Redes vai atuar como o setor de logística dos correios ou seja confere se os dados para entrega estão corretos usando metodologias protocolos faz a organização das correspondências a serem entregues e até mesmo é responsável por criar meios para que as correspondências contratadas para serem entregues por serviços expressos cheguem de maneira mais rápida 32 Camada de Transporte 4 a informação que vem das camadas superiores 7 6 e 5 muitas vezes não possui um formato adequado para o envio pelas camadas subsequentes em especial a física A camada de Transporte é a responsável por adequar o formado das informações que vêm das camadas superiores inclusive transformando essa informação em segmentos pedaços adequados para o envio da informação Também é responsabilidade da camada de transporte fazer a ação inversa quando essa informação vem das camadas inferiores 1 2 e 3 ou seja juntar os segmentos em um único pacote e conferir se a informação está completa antes de enviála para a próxima camada Fonte Autor Figura 233 Exemplo de como os protocolos da camada de transporte funcionam Para que você entenda o que faz a camada de transporte vamos retomar nosso exemplo da entrega de uma correspondência A camada é responsável por definir as regras de funcionamento para a entrega ou seja se a correspondência será entregue por um caminhão caminhonete ou um carteiro quantos quilos um carteiro pode carregar por vez qual a média de correspondências que são enviadas para uma determinada rota e o que fazer se o peso exceder a quantidade de correspondências que o carteiro pode carregar 33 Camada de Sessão 3 é a responsável por estabelecer a comunicação durante o processo de transmissão da informação sendo de responsabilidade dessa camada iniciar a conexão testar sua estabilidade para garantir o envio da informação garantir que o envio seja feito com segurança confirmar que a informação tenha sido enviada com sucesso garantir que a informação seja entregue com sucesso e finalizar a conexão A grande maioria dos protocolos de segurança por exemplo fica nessa camada assim como obviamente todos os protocolos responsáveis pelo processo de conexão entre os nós da rede Essa camada é o equivalente aos carteiros em nosso exemplo Camada de Apresentação 2 é a responsável por transformar a informação como compreendemos em informações como o hardware compreende Ela é uma camada muito importante para que a comunicação seja fluida pelas diversas camadas e é a responsável por fornecer o que conhecemos como transparência na comunicação TRANSPARÊNCIA O conceito de transparência na comunicação de dados é usado em diversas disciplinas que estudam a interação homemcomputador e consiste em um conjunto de processos que permitem que a informação criada pelo usuário comum seja compreendida pelo hardware mas principalmente que as informações gerenciadas pelos softwares e hardwares que não tenham impacto direto com o usuário não sejam fornecidas para ele dessa forma evitando que o mesmo se preocupe com operações que não tenham impacto na operacionalização do sistema pelo usuário Prof João Cruz Dentro da camada de apresentação estão protocolos para a conversão de caracteres em binários e viceversa a compactação de dados a transformação de informações visuais e auditivas imagem e som em formatos compreensíveis ao computador a criptografia de dados entre outras funções de tradução da informação 34 Camada Aplicação 1 é a responsável por apresentar os programas e as funcionalidades desses Essa camada também disponibiliza os recursos protocolo para que a comunicação entre as aplicações e as camadas inferiores aconteçam Para finalizarmos nosso exemplo compreendemos que a camada de aplicação é a responsável por estabelecer as regras para que nossa mensagem ou produto se transforme em uma correspondência ou seja a camada de aplicação é quem estabelece que para enviar essa correspondência ela deve estar embalada com o nome do destinatário e do remetente com CEP etc Ok Agora já conhecemos todas as camadas do modelo OSI e você deve estar se perguntando por que em algumas camadas nos referimos à informação como Segmento em outras como Pacote e ainda em outras como Quadros Para compreendermos isso é importante conhecermos mais um conceito importante na comunicação em redes de computadores o PDU Protocol Data Unit ou seja protocolo de unidade de dados O PDU nos permite que qualquer tipo de informação digital possa ser transmitido independente da mídia que irá transportála O dado na camada transporte é chamado de segmento na camada de rede é transformado em pacote e na camada de enlace em quadros Segmento quando o dado chega na camada de transporte ele é dividido em pedaços menores e cada um dos pedaços recebe um cabeçalho que pode variar entre 20 Bytes a 60 Bytes onde irão ser armazenadas as informações necessárias para remontar os dados no nó de destino Cada pedaço é chamado de segmento 35 Fonte Autor Figura 234 Criação de segmentos na camada de transporte Pacote quando cada segmento chega à camada redes ele recebe uma nova camada com um novo cabeçalho com os dados de endereço IP de origem e destino tipo de protocolo de envio e sua versão identificação do pacote entre outras informações para que seja enviado posteriormente Assim como no segmento o cabeçalho de cada pacote pode ter entre 20 Bytes a 60 Bytes mas geralmente não ultrapassa os 20 Bytes Ao receber essas novas informações cada segmento passa a ser um pacote Fonte Autor Figura 235 Criação de pacotes na camada de redes 36 Quadro quando cada pacote chega à camada enlace ele recebe uma nova camada com um novo cabeçalho Nesse cabeçalho são inseridos o endereço MAC de origem e o endereço MAC do dispositivo do próximo salto A cada novo salto as informações do cabeçalho do quadro são modificadas para identificar o endereço MAC do próximo salto e registrálo no cabeçalho do quadro Fonte Autor Figura 236 Criação de Quadro na camada Enlace Link Com a evolução da internet nos anos 1990 e 2000 o modelo de camadas OSI passou a ser considerado como um modelo muito burocrático e embora ainda haja muitas empresas em especial as que desenvolvem dispositivos de redes cabeadas que ainda adotam o modelo OSI um outro grupo de desenvolvedores principalmente aqueles com foco nos protocolos passaram a adotar um outro modelo mais simplificado como referência para criação de seus hardwares e softwares o modelo TCPIP 23 Modelo TCPIP Compreendendo e comparando com a camada OSI Antes de explicarmos sobre o modelo TCPIP é importante esclarecer que o modelo é constantemente confundido com os protocolos de mesmo nome mas sua abordagem é bem mais ampla e grande parte dos protocolos de comunicação de dados atuais utiliza o modelo TCPIP como referência 37 Mas por que abandonaram o protocolo OSI e passaram a adotar o protocolo TCPIP Na verdade essa pergunta se baseia em um fato que não é real Como foi citado no tópico anterior ainda existem muitos fabricantes de dispositivos de rede e até mesmo desenvolvedores de protocolos que utilizam o modelo das camadas OSI mas a adoção do modelo TCPIP se fez principalmente por ser um modelo mais simplificado ao compararmos os dois Fonte adaptado de TANENBAUM 2011 Figura 237 Comparativo entre os modelos OSI e TCPIP Assim como a própria internet o modelo TCPIP está associado à ARPANET e à necessidade de se criar um padrão para o conjunto de soluções que estavam sendo desenvolvidas naquele momento para a criação de uma rede interconectada Com o crescimento exponencial da ARPANET nos anos 1970 a necessidade de um padrão fez se cada vez mais necessário e esse padrão acabou sendo muito associado a essa necessidade e ao desenvolvimento de protocolos que permitissem a comunicação de dados internamente no computador e externamente nas redes de computadores 38 No modelo TCPIP como é possível ver no comparativo da Figura 46 existem apenas 4 camadas pois a camadas Aplicação Apresentação e Sessão nesse modelo correspondem à camada Aplicação já a camada de Transporte possui o mesmo nome nos dois modelos a camada de Enlace de Dados possui o nome de Internet ou Inter rede e a última camada do modelo TCPIP é conhecida como Interface de Rede ou HostRede Aplicação como no modelo OSI a camada de Aplicação apresenta a visão de alto nível ou seja os programas que serão usados e os protocolos que são responsáveis por transformar os caracteres e dados que estão sendo manipulados pelo usuário em informações compreensíveis às demais camadas Como exemplos de protocolos que atuam nessa camada podemos citar o FTP File Transfer Protocol que é usado para a transferência de arquivo o TELNET Teletype Network que é um terminal virtual utilizado em várias aplicações remotas antes da criação do Brownser navegador e o SMTP Simple Mail Transfer Protocol protocolo muito comum para recebimento e envio de emails Transporte a camada de transporte no modelo TPCIP é responsável por estabelecer a conexão entre origem e destino manter a conversação entre os hosts nós da rede controlar o fluxo dos dados tratando por exemplo os casos de colisões no segmento já citados anteriormente Dois protocolos muito associados à camada de Transporte são o TCP Transmission Control Protocol que é responsável pela fragmentação do fluxo de bytes que irão trafegar durante a comunicação a criação da conexão a estabilidade da conexão durante o envio e recebimento dos dados e a desconexão e o UDP User Datagram Protocol que é um protocolo utilizado para a transferência de dados sem a necessidade de confirmação de recebimento é o protocolo usado por exemplo na transmissão de streaming de mídia 39 Internet a camada de internet é responsável por garantir que os pacotes cheguem às redes independentes assegurando que esses pacotes irão trafegar do host de origem nó até o host de destino nó ou seja a camada internet garante que a mensagem enviada chegue a outro computador da sua rede ou de outra rede pelo roteador Isso é possível por conta de um endereço IP Internet Protocol que é atribuído a todo host de origem da rede Cabe também destacar que os protocolos associados aos saltos de roteamento também são desenvolvidos com base nessa camada Fonte Autor Figura 238 Salto entre os nós em duas redes independentes interconectadas Interface de rede a camada de interface de rede ou hostrede é uma camada bem interessante ao estudarmos os modelos de camada mas principalmente ao compararmos sua definição com as definições do modelo OSI pois enquanto as camadas de Enlace de Dados e Física do modelo OSI se preocupam em descrever de forma detalhada como os desenvolvedores devem visualizar cada uma dessas camadas a Camada de Interface de Redes do modelo TPCIP apenas a descreve como sendo a camada responsável por conectar os hosts por meio de algum protocolo de modo que o host possa enviar pacotes UP pela rede Conclusão Neste bloco conhecemos sobre as principais topologias de rede e os dispositivos de conexão utilizados para os projetos de rede Vimos também os modelos abstratos utilizados para a fabricação de dispositivos criação de protocolos e padronização da comunicação dos dados 40 E passamos a compreender que para termos um modelo de rede de computadores aberta no qual podemos usar diversos fabricantes de dispositivos e até mesmo interconectar redes de dados diferentes é necessário que todos os desenvolvedores envolvidos no processo tenham um material referencial modelo para a criação de suas soluções No próximo bloco iremos conhecer o que são redes de sistemas distribuídos e quais são seus diferenciais em relação às redes de computadores tradicionais REFERÊNCIAS ALECRIM E Diferenças entre roteador switch modem e hub Disponível em httpswwwinfowestercomhubswitchrouterphp Acesso em 15 jun 2022 CISCO COMPANY Qual a diferença de uma rede sem fio e uma rede com fio Disponível em httpswwwciscocomcptbrsolutionssmallbusinessresource centernetworkingwirelessnetworkhtml Acesso em 10 jun 2022 COMER D E Redes de computadores e internet Porto Alegre Bookman 2016 e book CONVEX Cabo crossover ainda é usado Disponível em httpsconvexnetcombrcabocrossoveraindaeusado Acesso em 17 jun 2022 FOROUZAN B A Comunicação de dados e redes de computadores Porto Alegre Bookman 2010 ebook FURUKAWA ELETRICS LATAM Produtos e serviços Disponível em httpswwwfurukawalatamcom Acesso em out 2022 KOLB J Padrões IEEE 802 Compartilhando 11 ago 2017 Disponível em httpsjkolbcombrpadroesieee802 Acesso em 29 jan 2021 MATHEUS Y O modelo OSI e suas camadas Disponível em httpswwwaluracombrartigosconhecendoomodeloosi Acesso em 19 jun2022 41 MEIRELLES A Placas de rede Disponível em httpswwwhardwarecombrlivroshardwaremanualplacasrede1html Acesso em 16 jun 2022 MENDES D R Redes de computadores teoria e prática São Paulo Novatec 2020 PINHEIRO J M S Projeto de Redes OSI um modelo de referência Disponível em httpswwwprojetoderedescombrartigosartigoosiummodelodereferenciap hp Acesso em 15 jun 2022 PORTAL TECHTUDO O que é endereço MAC Saiba como encontrar Techtudo 3 nov 2014 Disponível em httpswwwtechtudocombrnoticias201411oquee enderecomacsaibacomoencontrarghtml Acesso em 10 jun 2022 ROSSI L Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos São Paulo UNISA Universidade Santo Amaro 2021 SILVA JÚNIOR J S da Ondas sonoras Brasil Escola Disponível em 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