Fundamentos de Redes

1. Prof. Carlos Maurício Seródio Figueiredo Fundamentos de Redes

2. Bibliografia Comer, Douglas E. - Redes de Computadores e Internet - Bookman,2001. Tanenbaum, Andrew S. - Redes de Computadores - Campus, 1997. Keshav, S. - An Engineering Approach to Computer Networking – Addison-Wesley, 1997.

3. Introdução a Redes de Computadores

4. Introdução Redes de Computadores: Conjunto de computadores autônomos interconectados para a troca de informações (Tanenbaum). Motivação para Redes: Compartilhamento de Recursos (Físicos ou de processamento). Redução de Custos (Ex. Substituindo Mainframes); Maior confiabilidade (Ações podem ser realizadas por mais de um computador). Acesso a informações remotas. Comunicação pessoa a pessoa. Diversão interativa.

5. Transmissão de Dados

6. Transmissão de Dados Comunicação entre Computadores Envolve a codificação de dados digitais em forma de energia e o envio dessa energia através de um meio de transmissão. Ex: Corrente elétrica, ondas de rádio e luz. Diferentes estratégias para: Comunicação local e; Comunicação de longa distância.

7. Transmissão Local Computadores usam dígitos binários para representar dados. Enviar dados em uma rede local significa enviar bits através do meio de transmissão subjacente. Usando Corrente elétrica para envio de bits: 0s e 1s representados por níveis de tensão.

8. Transmissão Local Existem alguns padrões de comunicação que definem características de hardware, protocolo de controle de fluxo, conectores e fiação. Ex. RS-232, para comunicação serial. Limitações de Hardware Real Nenhum fio conduz eletricidade perfeitamente, o sinal recebe interferências (ruídos) e perde energia. Há limitação de distâncias e taxas de transmissão.

9. Transmissão de Longa Distância Para transmissões a longas distâncias, um sinal oscilatório contínuo se propaga mais do que os outros. Um sinal oscilatório contínuo chamado portadora, geralmente uma senoidal, é transmitido.

10. Transmissão de Longa Distância Para enviar dados, essa portadora é modificada ligeiramente pelo transmissor, técnica chamada de modulação. Existem vários tipos de modulação. Ex: AM, FM e deslocamento de fase, sendo esta ultima mais utilizada para transmissão de bits.

11. Transmissão de Longa Distância Modulador: circuito de hardware que aceite uma sequência de bits de dados e realize a modulação. Demodulador: circuito que faz o processo inverso. Um modem (modulador e demodulador) possui os dois tipos de circuitos combinados em um equipamento.

12. Meios de Transmissão Fios de Cobre Barato e fácil de instalar; Sujeitos a interferências; Limitação de distância; Ex: Par trançado e coaxial;

13. Meios de Transmissão Fibra ótica Luz é utilizada para o transporte de dados; Não causam nem sofrem interferência elétrica; Atingem maiores distâncias devido às baixas perdas; Pode carregar muito mais informações do que um fio. Rádio Pode-se usar a radiação eletromagnética (mesma de rádio e TV) para a transmissão de dados de computador. Não requer uma conexão física direta entre o transmissor e o receptor. Cada participante possui uma antena para transmitir ou receber sinais de RF (Radio-Frequência). Pode atingir longas distâncias (quilômetros).

14. Meios de Transmissão Satélite Combinação de tecnologias de RF com satélites; Supera o problema de curvatura da terra para comunicações mais distantes.

15. Meios de Transmissão Microondas Radiação eletromagnética além da faixa de frequência usada por rádio e TV. Uma transmissão de microonda deve ser direcionada, ao contrário da RF que transmite em todas as direções. Pode carregar mais informações que a RF. O sinais de microondas tem dificuldade para transpor barreiras.

16. Meios de Transmissão Infravermelho Mesma tecnologia de controles remotos. Limitado a pequenas distâncias (geralmente uma sala)‏ Laser Dados carregados em um feixe de luz através do ar. Uso limitado devido à necessidade de direcionamento preciso entre o receptor e o transmissor, e inexistência de barreiras.

17. Comunicação por pacotes

18. Transmissão de Pacotes Pacote - divisão dos dados em pequenos blocos. Fornece uma interface conveniente que permite a um computador enviar múltiplos bytes de dados através da rede, sem manipular bits individuais, e sem conhecer como o hardware subjacente codifica bits em sinais. Benefícios: A divisão de dados em pacotes ajudam a melhorar a eficiência e a verificação da integridade de dados transmitidos em uma rede. Ex: Bits de controle e de checksum. O uso de pacotes também permite um uso mais eficiente e organizado dos meios de transmissão. Ex: Compartilhamento do meio e uso de múltiplas rotas.

19. Transmissão de Pacotes Não existe concordância universal sobre o formato de pacotes. Cada tecnologia de hardware define os detalhes de seus pacotes, onde os bits individuais do pacote são especificados. Quadro - Definição de um pacote usado com um tipo específico de rede. Ex: Quadro delimitado pelos caracteres soh e eot.

20. Tecnicas relacionadas a Pacotes Byte Stuffing Técnica usada para distinguir informações de controle de dados enviados. Consiste na mudança ligeira dos dados remetidos e restauração no receptor.

21. Tecnicas relacionadas a Pacotes Bits de Paridade Para detectar erros de transmissão, informações adicionais são calculadas a partir dos dados e enviadas juntamente com eles para a verificação no receptor. Erros ainda podem ocorrer.

22. Tecnicas relacionadas a Pacotes CheckSums e Verificação de Redundância Cíclica (CRCs)‏ Elevação da capacidade de detecção de erros. Baseados em cálculos com os dados a serem transmitidos. As chances de ocorrências de erros são menores.

23. Tecnologias de LANs

24. Tecnologias de LAN LAN - Local Area Network Forma mais popular de redes de computadores. Tecnologias para que múltiplos computadores e dispositivos (ex. impressoras) sejam conectados diretamente em uma rede única e compartilhada.

25. Formas de Comunicação Comunicação Ponto a Ponto Um canal de comunicação único e exclusivo para pares de PCs. Não há necessidade de divisão de largura de banda. O número de conexões é muito elevado.‏

26. Formas de Comunicação Canais de Comunicação Compartilhados Surgiu como alternativa às caras redes ponto a ponto. Se baseia no compartilhamento da rede física, ou seja, dos canais de comunicação. Topologias de LAN Barramento

27. Formas de Comunicação Topologia em Anel Topologia em Estrela

28. Redes Ethernet Padrão extensamente utilizado. Emprega topologia de barramento. Padronizada pelo IEEE (802.3). Especifica todos os detalhes para redes de computadores locais, tais como, formato dos quadros, voltagem dos sinais, métodos de modulação de sinal.

29. Redes Ethernet Funcionamento: Como o padrão possui topologia de barramento, múltiplos computadores compartilham o acesso a um único meio. Um remetente transmite um sinal, que se propaga em todas as direções para as duas extremidades do cabo. Nesse momento, os outros computadores que desejam enviar dados devem aguardar.

30. Redes Ethernet Funcionamento (Cont.)‏ Para coordenar o acesso ao meio compartilhado, é usado um esquema de coordenação distribuída chamado de CSMA (Carrier Sense Multiple Access). Com este esquema, quem deseja enviar dados verifica a existência de algum sinal no barramento para saber se está ocupado. Com o CSMA ainda existe a possibilidade de colisões quando dois tentarem enviar dados ao mesmo tempo. Uma colisão é detectada quando o sinal que está sendo enviado por um computador difere do que está sendo lido. Essa técnica é chamada de CSMA/CD. Quando uma colisão é detectada, os computadores param de transmitir e aguardam um tempo aleatório para nova tentativa.

31. Redes Ethernet: Padrões 10 Mbit Ethernet Existem várias formas de conexão por cabos. As mais tradicionais são o 10-Base-2 (cabo ethernet fino) e o 10-Base-T (par trançado blindado). Ex: Cabo ethernet fino e par trançado.

32. Redes Ethernet: Padrões 100 Mbit Ethernet (Fast Ethernet)‏ Mantém características do ethernet original (funcionamento e frames), mas introduz o padrão 100-Base-T para atingir maior largura de banda. É compatível com a 10 Mbit Ethernet (Hw multisense). Velocidade é conseguida usando cabos de pares trançados, como no 10-Base-T, mas com mais pares para cada conexão. Ex: 2 pares UTP para full-duplex ou 4 pares para half-duplex. Também é previsto o uso de fibra ótica.

33. Redes Ethernet: Padrões 1 Gbit Ethernet (Gigabit Ethernet)‏ Evolução do Ethernet para redes de alta velocidade. Mantém especificações do Ethernet (frame) e por isso permite a evolução das redes sem muitos investimentos. Com cabos de par trançado comuns, no padrão 1000-Base-T, são usados 4 pares de cabos para permitir o ganho de velocidade. Porém, esse cabos são limitados a 100 metros. Para distâncias maiores, há a possibilidade de uso de cabos de fibra (1000-Base-SX e LX). Já há projeto do 10-Giga Ethernet, só que sem CSMA/CD e uso apenas de fibra.

34. Outras Tecnologias de LAN IBM Token Ring Neste tipo de rede, os computadores são interconectados em forma de um anel físico. O meio também é compartilhado, porém, uma permissão deve ser obtida para que um computador possa usá-lo. Essa permissão é chamada de token.

35. Outras Tecnologias de LAN Redes ATM ATM (Asynchronous Transfer Mode) - Tecnologia desenvolvida por companhias telefônicas. Usa topologia em estrela a partir de um dispositivo, chamado switch ATM, a qual todos os computadores se conectam, normalmente com cabos de fibra ótica. Geralmente, essa rede atingem largura de banda de 155 Mbps ou mais.

36. Outras Tecnologias de LAN Ethernet sem Fio (Wi-Fi)‏ Em redes deste tipo, ao invés de transmitir dados por cabos, são usadas antenas para transmitir sinais de RF pelo ar. Geralmente essas redes alcançam taxas de transmissão de 2Mbps e todos os computadores devem ser configurados para a mesma frequência de rádio, geralmente 900 MHz. Redes sem fio usam uma forma modificada de CSMA/CD, o CSMA/CA.

37. Endereçamento de Hardware Em redes compartilhadas, é necessário a identificação de quem envia e quem deve receber quadros de dados. Para isso é usado o conceito de endereçamento de hardware.

38. Endereçamento de Hardware Endereços de Hardware de LANs são usados para a filtragem de pacotes. O endereço de destino de um pacote é comparado com o endereço de hardware do computador que o recebe. Os quadros que não são destinados a determinada estação são descartados por ela.

39. Endereçamento de Hardware Cada tecnologia de rede define uma forma de endereçamento diferente. Exemplo de um endereço Ethernet: 0A:07:4B:12:82:36 Cada hardware deve possuir um endereço diferente. No caso de redes ethernet, esses endereços devem ser registrados perante a IEEE Registration Authority.

40. Tipos de Quadros Identificação de Tipos de Quadros Cada tecnologia de rede define os tipos dos seus quadros. Geralmente, esses quadro possuem duas partes: um cabeçalho, com informações de endereçamento, e uma área de dados, que são as informações trocadas entre computadores.

41. Tipos de Quadros Um exemplo de formato de quadro Ethernet: Preâmbulo: Usado para sincronização de sinal; Cabeçalho: Dados de Endereçamento e tipo de quadro; Área de Dados: Informação enviada; CRC: Área para verificação de erros.

42. Estendendo LANs

43. Estendendo LANs Normalmente, tecnologias de LAN são utilizadas para a interligação de computadores em um mesmo ambiente físico (ex. prédio). Tecnologias de redes possuem limitações de distância, velocidade e custo. Como proceder para redes em distância mais longas? Existem mecanismos (soluções de hardware) capazes de estender LANs. Exemplos: modems de fibra, repetidores, bridges e switchs.

44. Extensões com Fibra Ótica Possibilita a ligação de um computador distante de uma rede através do uso de cabos de fibra. Pode ser usado para uma interligação de vários quilômetros.

45. Repetidores Algumas tecnologias de rede (ex. ethernet) permitem superar limitações de distâncias através de um dispositivo chamado repetidor. Um repetidor conecta dois segmentos de cabo, amplifica e envia todos os sinais elétricos que acontecem em um segmento para o outro. A existência do repetidor se torna transparente..

46. Bridges (Pontes)‏ Semelhante ao repetidor, mas só encaminha entre os segmentos quadros corretos Elimina interferências ou outros problemas. Existem também bridges adaptáveis, que examinam endereços físicos de cada quadro para saber se os quadros serão encaminhados para outros segmentos ou não.

47. Bridges (Cont.)‏ Bridges podem ser usadas de forma combinada com outros tipos de canal de comunicação.

48. Switches Fisicamente, um switch se assemelha a um hub, a diferença está na forma em que os dois operam: O hub simula um meio compartilhado único, enquanto que um switch simula uma LAN unida através de bridges com um único computador por segmento.

49. Tecnologias para Conexões Digitais de Longa Distância

50. Conexões de Longa Distância Mesmo estendendo LANs, não se tem o alcance e escalabilidade desejada para muitas aplicações. Existem técnicas para superar limitações de tamanho e distâncias das LANs. Telefonia Digital; Linhas Dial-Up; ISDN; ADSL; Tecnologia de Cable Modem.