Redes Locais - Topologias e Periféricos

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Redes Locais: Topologias e Periféricos
 
Introdução 
Na aula sobre placas e cabos você conheceu os principais tipos de cabos existentes. Nesta aula você aprenderá como os cabos podem ser conectados para formar uma rede local. Como diversos periféricos são utilizados nessa conexão - como hubs e switches -, também iremos apropriadamente abordá-los nesta aula. 
Topologias 
Na aula sobre cabos, aprendemos somente sobre os tipos de cabos existentes sem nos preocuparmos muito como eles seriam utilizados para conectar diversos micros e periféricos. A forma com que os cabos são conectados - a que genericamente chamamos topologia da rede - influenciará em diversos pontos considerados críticos, como flexibilidade, velocidade e segurança. 
Da mesma forma que não existe "o melhor" computador, não existe "a melhor" topologia. Tudo depende da necessidade e aplicação. Por exemplo, a topologia em estrela pode ser a melhor na maioria das vezes, porém talvez não seja a mais recomendada quando tivermos uma pequena rede de apenas 3 micros. 
Topologia Linear 
Na topologia linear (também chamada topologia em barramento), todas as estações compartilham um mesmo cabo. Essa topologia utiliza cabo coaxial, que deverá possuir um terminador resistivo de 50 ohms em cada ponta, conforme ilustra a Figura 1. O tamanho máximo do trecho da rede está limitado ao limite do cabo, 185 metros no caso do cabo coaxial fino, conforme vimos na aula sobre cabos. Este limite, entretanto, pode ser aumentado através de um periférico chamado repetidor, que na verdade é um amplificador de sinais. 
Nota: a Figura 1 foi propositalmente exagerada em relação aos conectores "T". Eles são ligados diretamente à placa de rede, não existindo o pequeno cabo presente na figura. 
Como todas as estações compartilham um mesmo cabo, somente uma transação pode ser efetuada por vez, isto é, não há como mais de um micro transmitir dados por vez. Quando mais de uma estação tenta utilizar o cabo, há uma colisão de dados. Quando isto ocorre, a placa de rede espera um período aleatório de tempo até tentar transmitir o dado novamente. Caso ocorra uma nova colisão a placa de rede espera mais um pouco, até conseguir um espaço de tempo para conseguir transmitir o seu pacote de dados para a estação receptora. 
A conseqüência direta desse problema é a velocidade de transmissão. Quanto mais estações forem conectadas ao cabo, mais lenta será a rede, já que haverá um maior número de colisões (lembre-se que sempre em que há uma colisão o micro tem de esperar até conseguir que o cabo esteja livre para uso). 
Outro grande problema na utilização da topologia linear é a instabilidade. Como você pode observar na Figura 1, os terminadores resistivos são conectados às extremidades do cabo e são indispensáveis. Caso o cabo se desconecte em algum ponto (qualquer que seja ele), a rede "sai do ar", pois o cabo perderá a sua correta impedância (não haverá mais contato com o terminador resistivo), impedindo que comunicações sejam efetuadas - em outras palavras, a rede pára de funcionar. Como o cabo coaxial é vítima de problemas constantes de mau-contato, esse é um prato cheio para a rede deixar de funcionar sem mais nem menos, principalmente em ambientes de trabalho tumultuados. Voltamos a enfatizar: basta que um dos conectores do cabo se solte para que todos os micros deixem de se comunicar com a rede. 
E, por fim, outro sério problema em relação a esse tipo de rede é a segurança. Na transmissão de um pacote de dados - por exemplo, um pacote de dados do servidor de arquivos para uma determinada estação de trabalho -, todas as estações recebem esse pacote. No pacote, além dos dados, há um campo de identificação de endereço, contendo o número de nó de destino. Desta forma, somente a placa de rede da estação de destino captura o pacote de dados do cabo, pois está a ela endereçada. 
Nota: Número de nó (node number) é um valor gravado na placa de rede de fábrica (é o número de série da placa). Teoricamente não existe no mundo duas placas de rede com o mesmo número de nó. 
Se na rede você tiver duas placas com o mesmo número de nó, as duas captarão os pacotes destinados àquele número de nó. É impossível você em uma rede ter mais de uma placa com o mesmo número de nó, a não se que uma placa tenha esse número alterado propositalmente por algum hacker com a intenção de ler pacotes de dados alheios. Apesar desse tipo de "pirataria" ser rara, já que demanda de um extremo conhecimento técnico, não é impossível de acontecer. 
Portanto, em redes onde segurança seja uma meta importante, a topologia linear não deve ser utilizada. 
Para pequenas redes em escritórios ou mesmo em casa, a topologia linear usando cabo coaxial está de bom tamanho. 
Topologia em Anel 
Na topologia em anel, as estações de trabalho formam um laço fechado, conforme ilustra a Figura 2. O padrão mais conhecido de topologia em anel é o Token Ring (IEEE 802.5) da IBM. 
Figura 2: Topologia em Anel. 
No caso do Token Ring, um pacote (token) fica circulando no anel, pegando dados das máquinas e distribuindo para o destino. Somente um dado pode ser transmitido por vez neste pacote. 
Topologia em Estrela 
Esta é a topologia mais recomendada atualmente. Nela, todas as estações são conectadas a um periférico concentrador (hub ou switch), como ilustra a Figura 3. 
Figura 3: Topologia em Estrela. 
Ao contrário da topologia linear onde a rede inteira parava quando um trecho do cabo se rompia, na topologia em estrela apenas a estação conectada pelo cabo pára. Além disso temos a grande vantagem de podermos aumentar o tamanho da rede sem a necessidade de pará-la. Na topologia linear, quando queremos aumentar o tamanho do cabo necessariamente devemos parar a rede, já que este procedimento envolve a remoção do terminador resistivo. 
Importante notar que o funcionamento da topologia em estrela depende do periférico concentrador utilizado, se for um hub ou um switch. 
No caso da utilização de um hub, a topologia fisicamente será em estrela (como na Figura 3), porém logicamente ela continua sendo uma rede de topologia linear. O hub é um periférico que repete para todas as suas portas os pacotes que chegam, assim como ocorre na topologia linear. Em outras palavras, se a estação 1 enviar um pacote de dados para a estação 2, todas as demais estações recebem esse mesmo pacote. Portanto, continua havendo problemas de colisão e disputa para ver qual estação utilizará o meio físico. 
Já no caso da utilização de um switch, a rede será tanto fisicamente quanto logicamente em estrela. Este periférico tem a capacidade de analisar o cabeçalho de endereçamento dos pacotes de dados, enviando os dados diretamente ao destino, sem replicá-lo desnecessariamente para todas as suas portas. Desta forma, se a estação 1 enviar um pacote de dados para a estação 2, somente esta recebe o pacote de dados. Isso faz com que a rede torne-se mais segura e muito mais rápida, pois praticamente elimina problemas de colisão. Além disso, duas ou mais transmissões podem ser efetuadas simultaneamente, desde que tenham origem e destinos diferentes, o que não é possível quando utilizamos topologia linear ou topologia em estrela com hub. 
Periféricos 
A seguir iremos ver os principais periféricos que podem ser utilizados em redes locais. 
Repetidor 
Usado basicamente em redes de topologia linear, o repetidor permite que a extensão do cabo seja aumentada, criando um novo segmento de rede (vide Figura 4). 
Figura 4: Uso de um repetidor para aumentar a extensão da rede. 
O repetidor é apenas uma extensão (um amplificador de sinais) e não desempenha qualquer função no controle do fluxo de dados. Todos os pacotes presentes no primeiro segmento serão compulsoriamente replicados para os demais segmentos. Por exemplo, se a estação 1 enviar um pacote de dados para a estação 2, esse pacote será replicado para todas as máquinas de todos os segmentos da rede. 
Em outras palavras, apesar de aumentar a extensão da rede, aumenta também o problema de colisão de dados.Ponte (Bridge) 
A ponte é um repetidor inteligente, pois faz controle de fluxo de dados. Ela analisa os pacotes recebidos e verifica qual o destino. Se o destino for o trecho atual da rede, ela não replica o pacote nos demais trechos, diminuindo a colisão e aumentando a segurança. Por analisar o pacote de dados, a ponte não consegue interligar segmentos de redes que estejam utilizando protocolos diferentes. 
Há duas configurações que podem ser utilizadas com a ponte: a configuração em cascata (Figura 5) e a configuração central (Figura 6). 
No caso da configuração em cascata, as pontes são ligadas como se fossem meros repetidores. A desvantagem dessa configuração é que, se uma estação do primeiro segmento quiser enviar um dado para uma estação do último segmento, esse dado obrigatoriamente terá de passar pelos segmentos intermediários, ocupando o cabo, aumentando a colisão e diminuindo o desempenho da rede. 
Figura 5: Configuração em cascata. 
Já na configuração central, as pontes são ligadas entre si. Com isso, os dados são enviados diretamente para o trecho de destino. Usando o mesmo exemplo, o dado partiria da estação do primeiro segmento e iria diretamente para a estação do último segmento, sem ter de passar pelos segmentos intermediários. 
Figura 6: Configuração central. 
Hub (Concentrador) 
Apesar da rede estar fisicamente conectada como estrela, caso o hub seja utilizado ela é considerada logicamente uma rede de topologia linear, pois todos os dados são enviados para todas as portas do hub simultaneamente, fazendo com que ocorra colisões. Somente uma transmissão pode ser efetuada por vez. 
Em compensação, o hub apresenta diversas vantagens sobre a topologia linear tradicional. Entre elas, o hub permite a remoção e inserção de novas estações com a rede ligada e, quando há problemas com algum cabo, somente a estação correspondente deixa de funcionar. 
Quando um hub é adquirido, devemos optar pelo seu número de portas, como 8, 16, 24 ou 32 portas. A maioria dos hubs vendidos no mercado é do tipo "stackable", que permite a conexão de novos hubs diretamente (em geral é necessário o pressionamento de uma chave no hub e a conexão do novo hub é feito em um conector chamado "uplink"). Portanto, você pode ir aumentando a quantidade de hubs de sua rede à medida em que novas máquinas forem sendo adicionadas. 
Switch (Chaveador) 
Podemos considerar o switch um "hub inteligente". Fisicamente ele é bem parecido com o hub, porém logicamente ele realmente opera a rede em forma de estrela. Os pacotes de dados são enviados diretamente para o destino, sem serem replicados para todas as máquinas. Além de aumentar o desempenho da rede, isso gera uma segurança maior. Várias transmissões podem ser efetuadas por vez, desde que tenham origem e destino diferentes. 
O Switch possui as demais características e vantagens do hub. 
Roteador (Router) 
O roteador é um periférico utilizado em redes maiores. Ele decide qual rota um pacote de dados deve tomar para chegar a seu destino. Basta imaginar que em uma rede grande existem diversos trechos. Um pacote de dados não pode simplesmente ser replicado em todos os trechos até achar o seu destino, como na topologia linear, senão a rede simplesmente não funcionará por excesso de colisões, além de tornar a rede insegura (imagine um pacote de dados destinado a um setor circulando em um setor completamente diferente). 
Existem basicamente dois tipos de roteadores: os estáticos e os dinâmicos. 
Os roteadores estáticos são mais baratos e escolhem o menor caminho para o pacote de dados. Acontece que esses roteadores não levam em consideração o congestionamento da rede, onde o menor caminho pode estar sendo super utilizado enquanto há caminhos alternativos que podem estar com um fluxo de dados menor. Portanto, o menor caminho não necessariamente é o melhor caminho. 
No caso dos roteadores dinâmicos, eles escolhem o melhor caminho para os dados, já que levam em conta o congestionamento da rede. Talvez o pacote de dados siga por um caminho até mais longo, porém menos congestionado que, no final das contas, acaba sendo mais rápido. 
Alguns roteadores possuem compressão de dados, que fazem aumentar a taxa de transferência. 
Qual topologia devemos usar? 
Em redes pequenas e médias, geralmente usamos somente um tipo de topologia, como a topologia linear para redes pequenas e a topologia em estrela com hub para redes médias. 
Dica: Dissemos que a rede de topologia linear é recomendada para redes pequenas com poucas máquinas. Se no projeto dessa rede você decidir que ela poderá algum dia aumentar de tamanho, o melhor a ser feito é instalar uma rede de topologia em estrela com hub logo de uma vez, economizando dinheiro no futuro. 
Você deve ter percebido que talvez a "melhor" topologia seja a estrela usando switches. Acontece que o switch é um periférico extremamente caro e talvez esse projeto não seja financeiramente viável por não haver custo/benefício para a empresa. Portanto, no caso de redes maiores (ou menores com possibilidade de expansão), podemos utilizar redes mistas, onde utilizamos diversos tipos de solução misturadas. 
É muito comum em redes corporativas a utilização de um backbone de alta velocidade utilizando fibra ótica conectando os diversos setores da empresa. No setor propriamente dito, um switch com "uplink" para fibra é responsável por distribuir as diversas estações em par trançado. 
Além disso, como switches são bem mais caros do que hubs, podemos fazer uma topologia mista utilizando, na porta dos switches, hubs para aumentar o número de máquinas por porta do switch. É claro que isso faz o desempenho cair, porém é bem melhor do que montar uma rede grande formada apenas por hubs. 
Enfim, a possibilidade de conexões é imensa. Tudo depende do projeto da rede, levando em conta principalmente o estudo de como essa rede irá crescer e a relação custo/benefício.