Controle e Automação Industrial III: Aula 13 - Classificação, Topologias, Estrutura e Protocolos de comunicação de Redes de Computadores

1 - Classificação de Redes de computadores

Figura 01 - Classificação de redes

As redes são classificadas de acordo com sua abrangência geográfica. O Escopo de uma Rede refere-se ao seu tamanho ou alcance geográfico. O tamanho de uma rede pode variar de apenas alguns poucos metros, ligando periféricos a um computador, a milhares de computadores conectados através de longas distâncias. Existem diversos escopos de redes distintos, e os principais tipos de redes quanto ao escopo podem ser: LAN, MAN, WAN e PAN.

1.1 - Local Area Network ( LAN ) - Rede de Área Local

Figura 02 - Rede LAN

A rede de área local LAN abrange uma pequena área geográfica que conecta um conjunto de computadores que pertence à mesma organização, por exemplo. Frequentemente estes computadores utilizam a mesma tecnologia para conexão, sendo a mais empregada a chamada Ethernet.

As principais tecnologias para redes LAN são a Ethernet e IEEE 801.11 (WLAN – rede wireless local), e este é um dos escopos de redes mais populares e comuns, justamente por conta de sua aplicação, fazendo uso de switches de rede, access points ou mesmo hubs para conexão entre os pontos da rede.

1.2 - Metropolitan Area Network ( MAN ) - Rede de Área Metropolitana

Figura 03 - Rede MAN

A rede MAN interliga diversas LANs esua abrangência é ordem de algumas dezenas de quilômetros dentro de um circuito urbano. Desse modo a rede MAN permite que dois pontos distantes se comuniquem como se fizessem parte da mesma rede local.

Rede de Área Metropolitana, é um escopo de rede intermediário entre uma LAN e uma WAN, tratando-se de uma rede localizada em uma área geográfica confinada e bem definida, de tamanho médio, como por exemplo em um município ou região metropolitana. Uma das tecnologias mais utilizadas em redes MAN é conhecida como Metro Ethernet.

1.3 - Wide Area Network ( WAN ) - Rede de Área Ampla

Figura 04 - Rede WAN

Em uma WAN a comunicação se dá em uma distância relativamente longa. Geralmente podemos usar uma WAN para conectar uma LAN em um local a outra LAN em um local remoto, que pode estar localizada em um prédio vizinho ou do outro lado do planeta.

Usamos serviços de terceiros para realizar a comunicação via WAN, como por exemplo os provedores de Internet, a qual nada mais é que um grande conjunto de WANs interconectadas formando uma grande WAN mundial.

Uma WAN pode utilizar diversas tecnologias de acesso e transmissão de dados, como por exemplo MPLS, conexões via cabos submarinos, via satélite, entre outras, e faz uso extensivo de roteadores.

As redes WAN são muitas vezes representadas por uma nuvem em diagramas de rede, simbolizando a complexidade das conexões entre seus elementos internos.

1.4 - Personal Area Network ( PAN ) - Rede de Área Pessoal

Figura 05 - Rede PAN

Rede de Área Pessoal, é um escopo de rede que remete a equipamentos conectados a um computador, sendo considerada uma espécie de rede privada, e consistindo em elementos que se conectam a uma máquina usando tecnologias variadas, como cabos USB, Bluetooth, IR (Infra-Vermelho), NFC (Near Field Communication) conectando mouses, teclados, HDs externos, fones de ouvido wireless, celulares, etc., e sua principal característica é o espaço geográfico extremamente limitado da rede – geralmente alguns poucos metros, de acordo com o alcance dos cabos ou potência dos sinais de RF utilizados.

2 - Topologias de Redes de computadores

As topologias de Redes de computadores trata da configuração física de como as estações terminais de dados (ETDs) se conectam entre si.

As topologias de rede mais empregadas nas conexões das estações terminais de dados são: Ponto a Ponto, Barramento, Anel, Estrela e Ponto Multiponto.

2.1 - Topologia Ponto a Ponto

Figura 06 - Topologia ponto a ponto.

Nesta topologia, que é a mais simples topologia empregada, a saída de uma estação terminais de dados é conectada à entrada da outra formando assim um circuito fechado. Esta topologia é simples pois os sinais propagam-se por um único segmento de cabo, e este interliga apenas duas interfaces.

Alguns links WAN antigos são do tipo ponto-a-ponto, como as redes T1. Podemos também conectar, por exemplo, um PC diretamente a outro por meio de um cabo ligado diretamente entre suas placas de rede, ou até mesmo conectando as portas seriais das máquinas.

2.2 - Topologia Barramento

Figura 07 - Topologia em barramento.

Nesta topologia de rede há um único caminho para o tráfego de dados, na forma de um cabo coaxial, e todas as estações (pontos da rede) são conectadas a esse mesmo cabo para trocar dados pela rede.

Ligam-se as estações à um mesmo segmento de cabo que é chamado de barramento. Quando uma estação coloca um quadro no barramento todas as demais percebem, em seus pontos de conexão física, a passagem do quadro. Os quadros, ou frames, contém um endereço do destinatário e do remetente (cabeçalho IP – em redes TCP/IP; e MAC Address – em outros protocolos).

Quando uma estação detecta um quadro endereçado à ela, este é copiado para um armazenador em memória. Quadros não endereçados à ela são ignorados.

O custo da implantação é relativamente baixo e sua montagem é fácil, no entanto há uma limitação em relação ao comprimento dos segmentos de cabo e ao número de estações que podem ser conectados ao barramento.

Com a distância surge também um efeito de atenuação do sinal, e este efeito é também percebido quando o sinal atravessa cada nó ou ponto de conexão no qual cada estação está conectada.

2.3 - Topologia Anel

Figura 08 - Topologia em anel.

Neste tipo de ligação a saída de uma estação é ligada à uma entrada da outra. A topologia em anel pode ser unidirecional ou bidirecional. Para o caso unidirecional os sinais transitam em um único sentido (horário ou anti-horário).

Supondo que a primeira estação (E1) envia um quadro para a terceira estação (E3), o caminho deste quadro será feito da seguinte maneira.

A segunda estação (E2) que está entre E1 e E3 apenas repassa o quadro que vem de E1 para E3, uma vez que esse quadro não é destinado à E2.

Quando o quadro chega ao seu destino, E3, ele é copiado por este terminal , e devolvido ao anel sendo passado assim para frente.

Quando o quadro passa novamente pelo E1, que é quem originou o quadro, este é removido do anel.

No caso de um anel bidirecional as ligações são duplex, então cada estação pode transmitir para seus dois vizinhos adjacentes.

Para que as estações saibam qual está transmitindo num determinado momento e assim evitar conflito e colisões de pacotes, utiliza-se um elemento chamado de Token (bastão).

2.4 - Topologia Estrela

Figura 09 - Topologia em estrela.

Nesta topologia de rede todos os dispositivos (nós) são conectados a um dispositivo distribuidor de comunicações central, como um Hub ou (preferencialmente) um Switch.

Usada na maioria das redes de pequeno ou de grande porte, é a principal topologia de redes utilizada atualmente, principalmente em redes locais (LAN).

Uma rede em estrela pode ser compreendida como um anel dobrado, em que cada ligação envolvendo 2 estações adjacentes passa por um concentrador situado no centro da estrela.

No entanto em caso de defeito no concentrador toda a rede deixa de funcionar.

Mas no caso de apenas um terminal falhar, as demais estações continuam operando normalmente já que o tráfego de dados é concentrado em um único aparelho (o concentrador).

2.5 - Topologia Ponto a multiponto

Figura 10 - Topologia ponto a multiponto.

Esta topologia lembra, fisicamente, uma topologia estrela, porém sem que necessariamente todos os nós da rede possam se comunicar completamente uns com os outros.

Um exemplo típico dessa topologia são as redes 802.11 (sem fio), na qual podemos ter diversos pontos de rede se conectando a um Access Point (AP / Ponto de Acesso), o qual gerencia a conectividade entre os pontos de rede e pode impedir que as estações e comuniquem entre si, somente trocando dados com o próprio AP.

3 - Meios físicos de transmissão de dados

Meio físico é onde se tem a comunicação entre os computadores propriamente dita, a transmissão de uma cadeia de bits. É um dos níveis na estrutura básica de comunicação de dados estabelecidos pelo Padrão ISO/OSI.

Figura 11 - Padrão de comunicação ISO/OSI

No nível 1 que é o Físico compreende os componentes físico de uma rede (cabos, conectores e acessório). Ao especificar o limite de comprimento de diversos tipos de cabos utilizados em rede de dados, determinando as taxas de transmissão e distribuição que podem ser atingidas. Havendo uma transmissão de uma cadeia de bits que podem ser serial ou paralela (com N bits), half duplex ou full duplex, não se preocupando com o seu significado ou com a forma como esses bits são agrupados.
Nesse mesmo nível pode-se usar um único circuito de transmissão para transmitir dados de duas ou mais conexões físicas multiplicando o acesso a esse circuito. O mesmo não trata de erros de transmissão.

Figura 12 - Equipamentos da estrutura física.

O meio é conectado por equipamentos transmissores e receptores. As conexões vão depender das topologias (ponto a ponto e multiponto) e do meio físico que diz como as ligações podem ser implementadas.
Existe algumas características observadas: Mecânicas e elétricas.
Mecânica: Define o tamanho e a forma de conectores, pinos, cabos que compõe o circuito de transmissão.
Elétricas: Especificam valores dos sinais elétricos usado para representar bits. Determina as taxas de transmissão e distancia que podem ser atingido. Funcionais (ou de procedimento): Para ativar, manter e desativar conexões físicas para a transmissão de bits entre entidade de nível de enlace através de sistema intermediário. Sendo que os procedimentos especificam a seqüência de sinais que devem ocorrer para que uma interface do nível físico cumpra o seu papel de transmitir bits.
Função: É transmitir uma cadeia de bits pela rede sem se preocupar com o seu significado ou com a forma como esses bits são agrupados. Não trata de erros de transmissão.
As entidade de nível físico são interligadas pôr circuito de transmissão de dados que define um caminho para comunicação em um meio físico. Utiliza sistema intermediário que atuam retransmitindo bits.

3.1 - Meios de Transmissão

Como foi dito anteriormente que a função primordial da camada física é a transmissão de bits de uma máquina para outra. Os meios de transmissão mais comumente utilizados são: Par Trançado, Cabo Coaxial, Fibra Ótica, Radiodifusão e Ligação ao Meio.
Pode-se dividir basicamente os meios físicos via cabo em 2 tipos: Condutores Elétricos e Condutores Óticos. Condutores Elétricos: Dentre os diversos tipos de condutores conhecidos, os mais utilizados na transmissão e recepção de sinais são os cabos de par trançados e os cabos coaxiais.

3.1.1 - Cabo de Par Trançado

Figura 13 - Par Trançado sem blindagem

No cabo de par trançado, existem pares de fios entrelaçados que apresentam 2 condutores (um positivo e outro negativo). O primeiro é normalmente um fio de cor laranja, verde, azul ou marrom e o segundo , um fio de cor branca ou branca mesclada com a cor do condutor positivo correspondente.
Devido à essa característica (trançados), esses condutores geram um campo eletromagnético que funciona como barreira contra interferências externas (cross talk), como a provocada pela proximidade de fios de energia elétrica, ou pelo sinal emitido entre os fios internos do próprio cabo.
No entanto para garantir uma alta eficiência contra ruídos externos (interferência eletromagnética-IEM) recorre-se muitas vezes à blindagem do cabo.
Desta maneira os cabos de par trançado acabam sendo divididos em 2 categorias básicas:

UTP (Unshielded Twisted Pair) = Par trançado sem blindagem. Utilizado em redes de baixo custo, sendo de fácil manuseio e instalação, com o qual pode-se atingir velocidades de até 100Mbps.
STP (Shielded Twisted Pair) = Par trançado com blindagem. Tem custo bastante elevado, sendo sua utilização restrita à ambientes com alto nível de interferência eletromagnética (IEM).

Figura 14 - Par Trançado com blindagem unica

Os cabos STP podem ter blindagem simples, que compreende todos os fios com uma única malha metálica ou blindagem par a par, que envolve cada par trançado com um malha de blindagem.

Assim sendo, os cabos de par trançado podem ser classificados conforme listados abaixo:

Categoria 1: Refere-se ao cabo telefônico UTP tradicional que pode transportar voz, mas não dados. A maioria dos cabos telefônicos anteriores a 1983 era de cabos pertencentes à Categoria 1.
Categoria 2: Esta categoria certifica o cabo UTP para transmissões de dados de até 4 Mbps (megabits por segundo). Contém quatro pares trançados.
Categoria 3: Esta categoria certifica o cabo UTP para transmissões de dados de até 10 Mbps. Contém quatro pares trançados com cerca de nove torções por metro.
Categoria 4: Esta categoria certifica o cabo UTP para transmissões de dados de até 16 Mbps. Contém quatro pares trançados.
Categoria 5: Esta categoria certifica o cabo UTP para transmissões de dados de até 100 Mbps. Contém quatro pares trançados de fio de cobre.
Categoria 6: Esta categoria certifica o cabo UTP para transmissões de dados em Gigabit Ethernet. Contém quatro pares trançados de fio de cobre.

3.1.2 - Cabo Coaxial

O cabo coaxial é constituído por dois condutores: o central, que é um fio de cobre rígido, e o externo, que pode ser uma malha de fios de cobre ou uma fina tira de metal enrolada ao longo do isolamento, que separa o condutor central e a malha.
Os cabos coaxiais são blindados, pois devido à sua constituição, a malha externa ao condutor central garante uma imunidade contra interferências eletromagnéticas.
Existem basicamente 2 tipos de cabo coaxial: o 10Base5 e o 10Base2.

Figura 15 - Cabos coaxiais

O cabo 10Base5 é um tipo mais antigo encontrado em redes baseadas em mainframes (Um mainframe é um computador de grande porte, dedicado normalmente ao processamento de um volume grande de informações. Os mainframes são capazes de oferecer serviços de processamento a milhares de usuários através de milhares de terminais conectados diretamente ou através de uma rede) e instalações de antenas de TV.
Este cabo utiliza conectores BNC mostrados anteriormente e pode transmitir à uma velocidade de 10 Mbps por distâncias de até 500m.
O cabo 10Base2 é um cabo mais fino se comparado ao 10Base5 e pode transmitir à uma velocidade de 10Mbps por até 200m. No entanto , na prática, cada segmento consegue atingir no máximo 180m, devido aos conectores e atenuação presentes em cada nó da rede.
Abaixo uma imagem ilustrando os cabos coaxiais 10Base5 e 10Base2.

3.1.3 - Condutores Óticos

O meio utilizado para condução ótica, ou seja, condução de pulsos luminosos é a fibra ótica.

Figura 16 - Fibra ótica

É conveniente lembrar que no vácuo a luz atinge a velocidade de 300.000 m/s, mas quando propagada em outros meios (como por exemplo a fibra) essa velocidade diminui consideravelmente. Quando a luz passa de um meio para o outro ocorre um efeito chamado de reflexão. De acordo com a velocidade de propagação da luz em um determinado meio ou material, tem um índice de refração n que é calculado dividindo-se a velocidade na luz do vácuo pela velocidade da luz no meio.
As fibras ópticas são fabricadas com base nesse princípio visando minimizar a refração ou dispersão dos pulsos luminosos que as percorrem.
As fibras ópticas podem ser classificadas de acordo com a forma com que a luz se propaga em seu interior. Então são dividas em duas categorias: monomodais e multimodais
Monomodais: As fibras desta categoria possuem apenas um núcleo (com dimensões entre 5 a 10µm) pelo qual a luz pode se propagar. Elas são indicadas para transmissão à longa distância, requerendo assim conectores de maior precisão e dispositivos de alto custo. Também possuem uma variação do índice de refração do núcleo em relação à casca.
Linhas telefônicas dedicadas ou backbones de aplicação de voz que percorrem grandes distâncias normalmente utilizam fibras monomodais.
Multimodais: As fibras desta categoria possuem diâmetro do núcleo maior do que as fibras monomodais, o que permite a propagação da luz por vários caminhos. Isso ocorre devido aos vários filamentos de vidro que compõe o núcleo e servem assim vários trajetos diferentes para as emissões luminosas. Devido à essa característica é possível transmitir simultaneamente ligações telefônicas e links de dados com largura de banda de vários Mbps.

Protocolo TCP/IP

Figura 17 - Protocolo TCP/IP

Quando a Internet foi desenvolvida, surgiu junto com ela o modelo OSI que se dividia em 7 camadas.
No entanto foi desenvolvido um modelo estratificado da Internet composto apenas 4 camadas. Segue na figura 16 o comparativo entre o modelo OSI e este modelo estratificado.
As funções dos níveis Físico e de Enlace (modelo OSI) são basicamente as mesmas do seu corresponte no modelo TCP/IP, consistindo em prover o transporte confiável de informação entre os terminais.
O nível de rede no entanto tem sua particularidade, ao qual atribui-se o nome de Nível de Rede ou apenas IP. O nível de rede implementa a abstração de uma rede de redes.
O protocolo chamado IP (Internet Protocol) define então dois elementos fundamentais dessa rede de redes (Internet):

Endereçamento Universal.
Roteamento de Mensagens pela rede.

O endereçamento universal permite identificar cada máquina ligada à rede. As máquinas que executam o protocolo IP atuam em um sistema cooperativo,de modo que para entregar uma mensagem despende-se um esforço razoável e caso não consiga entregar a mensagem é descartada.
O Nível de Transporte tem suas funções implementadas por 2 protocolos:

UDP (User Datagram Protocol)
TCP (Transmission Control Protocol)

Figura 18 - Camadas do Protocolo TCP/IP

O UDP fornece um transporte não confiável entre máquinas, e assim como IP funciona com base na cooperação. Esse protocolo é capaz de transportar diversas mensagens oriundas de vários aplicativos diferentes utilizando um único canal lógico de comunicação. Cada mensagem UDP fornece portas para distinguir os processos executados em uma mesma máquina, indicando o início de cada pacote, as portas de origem e destino. Para aplicativos que suportam perda eventual de mensagens o UDP propicia um meio de transporte simples e eficiente.
Já o TCP garante que todas as mensagens enviadas pelo remetente sejam recebidas pelo destinatário na ordem correta, além de conter mecanismos que controlam o fluxo de mensagens de modo que o transmissor não sobrecarregue o transmissor. Esse protocolo também permite o controle de tráfego de mensagens na rede como um todo, evitando que a capacidade agregada da rede de transportar mensagens seja excedida.

Controle e Automação Industrial III

quarta-feira, 16 de março de 2022

Aula 13 - Classificação, Topologias, Estrutura e Protocolos de comunicação de Redes de Computadores