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PROJETO DE REDES II REDES DE SERVIÇO AULA 1 Prof. Gian Carlo Brustolin 2 CONVERSA INICIAL O objetivo do presente curso é apresentar os requisitos básicos de cada uma de seis tipos recorrentes de redes: redes de computadores para ambientes industriais, redes de computadores para corporações empresariais, redes de computadores para ambientes de médias empresas, redes de computadores para o agronegócio, redes de computadores para ambientes educacionais e redes de computadores para companhias do mercado financeiro. O curso também indicará quais são os parâmetros legais (quando existirem) para o projeto, bem como oferecerá método de levantamento das necessidades específicas do cliente com vistas a apresentar um desenho de rede que, além de ser econômico, resultará em uma rede de fácil manutenção e de alta performance. Nesta aula, introduziremos o tema de projeto de redes, revisando alguns conceitos imprescindíveis a um bom projeto. Apresentaremos também a metodologia segundo a qual abordaremos os seis importantes tipos de redes de serviço focados nesta disciplina e suas especificidades de projeto. Após esses aspectos introdutórios, faremos o estudo do primeiro tipo de rede de serviço, a rede empresarial. TEMA 1 – INTRODUÇÃO AO PROJETO DE REDES DE SERVIÇO Redes de serviço são redes operacionais dedicadas a determinado fim específico. Uma rede de computadores pode ter seu projeto básico substancialmente alterado conforme sua aplicação. Redes para aplicações críticas, como chão de fábrica, segurança ou medicina, por exemplo, têm especificações de projeto marcantemente diferentes entre si, além de apresentarem rigores de planejamento comparativamente maiores que outras, aplicadas em situações de menor criticidade, como as redes empresariais, a serem abordadas em profundidade ainda nesta aula. Para que possamos, então, entender essas especificidades, revisaremos alguns conceitos importantes no projeto de redes de serviço. 3 1.1 O bom projeto de redes É importante observar preliminarmente que a palavra projeto, nesse escopo, tem sentido estrito. Projetar, assim, significa desenhar a solução técnica. Um projeto dessa forma tem origem em uma necessidade, em um problema e na determinação de um objetivo a ser alcançado (Freitas, 2014). Projetar uma rede de computadores, nesse sentido, é um ato próprio de engenharia que envolve, como todo projeto técnico, conceitos abrangentes dos requisitos de implantação e operação, normas técnicas e especificidades do cliente, a exemplo de vicissitudes do ambiente e da estrutura de operação e manutenção da futura rede. Exclui-se, assim, desse conceito, o sentido lato dado à palavra projeto advindo da gerência de projetos que, nesse caso, chama de projeto aquilo que a engenharia tradicionalmente denominava como obra, com suas fases de planejamento, execução e controle. Projetar uma rede é, portanto, a ação de desenhar sua arquitetura, indicar os equipamentos necessários à sua implantação bem como sua configuração e, eventualmente, disposição física, planejar e determinar os cuidados com segurança e manutenção da futura instalação. A grande diferença que a atuação de um profissional especializado pode oferecer é precisamente a consideração, desde a concepção inicial, das especificidades gerais e particulares do cliente (Freitas, 2014). Redes projetadas de forma genérica, sem esse cuidado, normalmente serão difíceis de implementar e manter, não são economicamente otimizadas e, principalmente, serão, após a implantação, incapazes de entregar plenamente as facilidades para as quais foram criadas. Muitas empresas de consultoria sobrevivem, graças à incapacidade de produção de bons projetos de rede, mantendo redes que apresentam defeitos crônicos de operação, cuja solução definitiva exigiria o reprojeto da rede. 1.2 Por que redes TCP/IP Nos ambientes de rede analisados, o protocolo majoritariamente presente tem sido o TCP/IP. Mesmo no ambiente fabril, originalmente dominado por protocolos e tecnologias de camada 1 e 2 (do modelo OSI) particulares, há uma tendência já sedimentada de migração para modelos com base em TCP/IP em virtude da redução de custos das interfaces de rede baseadas nesse protocolo. 4 Mesmo considerando a hegemonia do protocolo e, eventualmente justamente por esse motivo, há necessidade de personalização de projeto para cada aplicação específica. Exemplo desse mister seria comparar uma rede de controle empresarial trivial com a rede de controle de uma empresa de energia elétrica. Os requisitos desta última se aproximam de especificações militares de alta segurança (Gouglidis, 2018), ao passo que a primeira tem um projeto simples e tradicional. 1.3 Critérios de projeto Encontrar critérios para um bom projeto é tema bastante discutido, porém há aspectos já sedimentados como o respeito às características físicas e à natureza da operação da rede. Todo projeto, em sentido estrito, precisa estar aderente às normas técnicas aplicáveis, inclusive, mais recentemente, àquelas referentes à preservação ambiental. De maneira sintética, devemos levar em consideração: • Características do físicas de operação levando em conta o entorno físico e eletromagnético; • Natureza da operação levando em conta os aspectos humanos da operação dos equipamentos e necessidades da disponibilização das facilidades de rede (disponibilidade, integridade e confidencialidade dos dados); • Normas técnicas observáveis que permitem ao projeto atender a requisitos técnicos e legais de engenharia; • Meio ambiente e sustentabilidade levando em conta a tríade básica da análise de eventuais impactos ambientais (meio ambiente, economia e sociedade); • Arquiteturas clássicas para dado ambiente, Ainda cumpre comentar que, encerrada a fase de projeto técnico (desenho) da rede, deve-se, junto ao cliente, indicar a necessidade de planejar e controlar a obra de implementação conforme metodologias de gerenciamento que garantam a qualidade e fidelidade da obra ao desenho prévio. A qualidade da obra entregue tem, portanto, relação direta com a qualidade do planejamento de implantação tanto quanto com a precisão do desenho da infraestrutura (Xavier 5 et al., 2012). O estudo dessas metodologias de gerenciamento de projeto não é escopo desta disciplina, porém deverá ser objeto de futuro estudo. O primeiro passo do projeto e do qual dependerá boa parte do sucesso deste é o planejamento da primeira camada do modelo OSI de redes, a camada física. Tradicionalmente, a implantação de redes se dá sobre cabeamento metálico, porém enfatizemos que, no desenho e na escolha da arquitetura da rede, sempre será necessário analisar a possível (e eventualmente necessária) implantação de redes sem fio. Facilidades wireless são virtualmente imprescindíveis dada sua onipresença nas aplicações de IoT e da flexibilidade na disponibilização das facilidades de rede para o atendimento a usuários eventuais ou a equipamentos estranhos à rede (a exemplo do Byod). Assim, além de alguns conceitos de compatibilidade eletromagnética, atinentes ao cabeamento metálico, uma revisão sobre conceitos de redes sem fio no padrão IEEE 802.11 será encetado a seguir. O foco será enfatizar algumas características de projeto dessas redes que determinam a qualidade do serviço entregue aos usuários. Não se tem a ambição de descrever plenamente detalhes de cabeamento ou das redes sem fio, mas apenas apresentar alguns conceitos cujo conhecimento permitirá um desenho de sucesso. TEMA 2 – CABEAMENTO METÁLICO E COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA Enfrentaremos, a seguir, uma breve revisão de alguns conceitos de eletromagnetismo e sua aplicação em cabeamentos metálicos de redes. Muito embora opções sem fio e óticas tenham se tornado populares,a solução metálica ainda é preponderante em redes de menor custo (Lima Filho, 2014), assim torna- se importante fixar conceitos simples, porém altamente impactantes na qualidade da rede instalada. Não temos a pretensão de cobrir todos os aspectos de compatibilidade eletromagnética associados ao cabeamento de redes de computadores, mas nos focaremos naqueles de maior significância para a operação das redes em questão. 6 2.1 Lei de Ampère No século XIX o físico francês André-Marie Ampère, tomando a observação de colegas de que a agulha de uma bússola colocada paralelamente a um condutor energizado sofria a influência deste, concebeu a lei, que recebeu seu nome, relacionando o fluxo elétrico com o campo magnético. Segundo esse princípio, um condutor percorrido por corrente elétrica gerará um campo magnético cuja densidade será proporcional à intensidade da corrente e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre o ponto medido e o centro do condutor (Silva; Santiago; Assis, 2014). Figura 1 – Densidade de campo magnético gerada por corrente elétrica Ainda seguindo as lições de Silva, Santiago e Assis (2014), é possível concluir que, se uma corrente elétrica, percorrendo um condutor, produz um campo magnético H, de densidade B, então um condutor elétrico inerte colocado em um campo magnético de densidade B será percorrido pela corrente i, induzida por B. Dessa forma, se temos um condutor metálico qualquer, a exemplo de um cabo de rede, instalado nas proximidades de outro condutor percorrido por corrente elétrica (a exemplo de um cabo de alimentação 127VAC), esse primeiro condutor (cabo de rede) perceberá a circulação de uma corrente elétrica induzida proporcional àquela circulante no cabo de alimentação e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre os cabos. Esse fato justifica a insistência das normas técnicas de implantação de redes na segregação entre os caminhamentos de cabos de dados e de alimentação elétrica. Voltando às lições de magnetismo, a densidade do campo magnético em um dado ponto é igual ao valor desse campo multiplicado pela constante ḱ de permeabilidade magnética do meio. Assim, tomando-se um mesmo campo induzido H, o valor de B em um ponto em meio diamagnético (como ar 7 atmosférico), com ḱ da ordem de 10−6, será expressivamente menor que seu valor em materiais metálicos que possuem ḱ na ordem de 101. Esse fato justifica o aprisionamento de cabos em dutos ou canaletas metálicas. As linhas de campo magnético são adensadas pela superfície metálica impedindo a irradiação do campo para além dessa superfície. O mesmo princípio torna cabos coaxiais e cabos blindados inertes a campos magnéticos induzidos por outros cabos. 2.2 Parâmetros elétricos dos condutores metálicos Um par condutor, como aqueles utilizados em cabos de rede, tem determinadas características físicas que modelam seu comportamento quando sujeito à circulação de corrente. Todo par condutor pode ser modelado, de forma simplista, segundo um circuito elétrico equivalente. Para que possamos construir esse circuito, imagine o par como sendo infinito e paralelo. Ao criarmos uma diferença de potencial (ddp) em uma de suas extremidades, uma corrente elétrica começará a caminhar pelo condutor, de forma que, após algum tempo, uma diferença de potencial surgirá, também, no final hipotético do cabo. Esse comportamento de retardo do potencial elétrico é típico de um capacitor. É justo imaginar que, ao desconectarmos a fonte de tensão, uma corrente surgirá no cabo de forma a transmitir a nova situação de ddp=0. Esse comportamento assemelha-se, por sua vez, ao de um indutor. Por outro lado, todo condutor elétrico real possui uma resistência e haverá sempre uma condutância entre os condutores do cabo. Dessa forma, é possível modelar um par condutor, por segmento, como ilustrado na Figura 2. Figura 2 – Parâmetros elétricos Kurokawa et al., 2007. Ainda, observando o circuito da Figura 2 podemos pensar que é possível calcular uma impedância equivalente cujo valor será chamado de impedância 8 característica do cabo (Z). Os parâmetros equivalentes de um cabo são fornecidos pelo fabricante por segmento métrico. Assim, a resistência equivalente será informada em ohms por metro (Ω/m), a capacitância F/m, indutância H/m e condutância Ω/m. Os parâmetros elétricos ditarão as limitações dos cabos para a transmissão de dados. Essas limitações se refletirão no comprimento máximo aceitável para o cabo, na frequência máxima de transmissão e na tensão máxima de utilização. Por esse motivo, cada categoria de cabos (E.G. Cat.5, Cat.5e, Cat.6...) tem, nas normas técnicas de instalação, comprimentos e frequências máximas restritas e determinadas. 2.3 Distorções de transmissão em condutores metálicos Como vimos acima, os parâmetros elétricos do cabo conferem-lhe um comportamento não linear diante do sinal a ser transmitido, distorcendo-o. As características intrínsecas do material ou da construção não são, no entanto, as únicas fontes de distorção, mas o meio externo também pode induzi-las no sinal. Genericamente podemos considerar dois tipos de distorções: sistemáticas e aleatórias. As sistemáticas ocorrem pela influência determinados eventos conhecidos, ao passo que as aleatórias só podem ser tratadas de maneira estatística uma vez que sua ocorrência não é plenamente determinística (Soares Neto; Silva; Boscato Júnior,1999). São as principais distorções sistemáticas: distorção de retardo, de atenuação e característica. Vamos descrevê-las rapidamente: 1. Distorção de retardo: como apresentado em 2.2, o comportamento do canal de comunicação não é linear para a frequência, assim, a propagação de um sinal multifrequencial, como um sinal binário, em um par metálico levará a certa distorção harmônica, principalmente perceptível na estabilidade dos níveis “0” e “1” do sinal; 2. Distorção de atenuação: em função da característica ôhmica do meio de transmissão metálico o sinal sofrerá, ao transitar pelo metal, atenuação; 3. Distorção característica: dados os parâmetros elétricos do cabo, o sinal sofrerá com a limitação de banda de passagem tanto mais intensamente quanto mais próximo da frequência máxima de transmissão se encontrar. 9 O sinal, próximo a esse limite, perde seu desenho característico, alongando as bordas de subida e descida do sinal. Essas distorções, por serem previsíveis, podem ser corrigidas, dentro de determinados limites, pelos equipamentos de transmissão e recepção. Dessa forma, respeitados os limites de construção dos cabos, essas distorções não são importantes para nosso estudo, visto que não serão percebidas na operação. Já as distorções aleatórias são principalmente os ruídos térmico e impulsivo. Essas influências, como já comentado, por serem aleatórias, permitem, no máximo, tratamento estatístico. O ruído térmico está presente em qualquer canal, mas, em virtude da agitação dos elétrons, é mais perceptível em altas taxas de transmissão e tem forte relação com a temperatura. Por esse motivo, existem limitações térmicas de operação dos cabos, previstas pelo fabricante. Assim, na fase de projeto, é importante conhecer a amplitude térmica do local de implantação para que se escolha corretamente o cabo. O ruído impulsivo, por outro lado, é originado por fontes externas diversas. Por ser aleatório, não pode ser evitado pelos equipamentos de ponta. Nesse caso, cabe ao projetista, ao antever a instalação de equipamentos no ambiente de rede, que, tradicionalmente, produzem ruídos impulsivos, proteger convenientemente o cabeamento. A proteção pode se dar pelo confinamento do cabo em conduites metálicos aterrados ou pela seleção de cabos blindados (STP ou FTP). Cabos que percorrem ambientes externos devem ser obrigatoriamente protegidos,dadas as condições adversas a que estarão sujeitos. 2.4 Aterramento para sistemas de comunicação Como acabamos de comentar, a proteção do canal de comunicação contra influências externas, em cabeamentos metálicos, se dá, obrigatoriamente, pela blindagem do cabo. Cabos blindados, ao chegarem ao equipamento destino, precisam ser descarregados, ou seja, é necessário aterrar o patch panel ou o equipamento convenientemente, para que eventuais correntes parasitas sejam descartadas sem penetrar no receptor, influenciando a qualidade do sinal. Quando a solução escolhida é o confinamento do cabeamento os dutos e canaletas, esses também precisam ser aterrados, de forma a drenar as correntes espúrias induzidas no metal do conduite. 10 O aterramento físico propriamente dito, ou seja, a colocação de hastes, geometria da malha e fusão de condutores não é escopo deste estudo, visto ser afeto a outra área de engenharia diversa da de redes. Nosso interesse, para esse particular, limita-se a esperar uma conexão de terra de baixíssima impedância com alta capacidade de drenagem de corrente. A partir deste ponto, conectaremos os equipamentos, canaletas e eletrodutos metálicos. A regra de ouro dessa conexão é bastante simples. A conexão deve ser feita em apenas um ponto. Isso se justifica porque múltiplas conexões tendem a gerar diferenças de potencial de terra, provocando a circulação de correntes parasitas, geradas pelo próprio sistema de aterramento equivocado. Essa recomendação, embora simples, encontra imensa resistência por parte dos executores das obras. Seguindo esse princípio, uma canaleta deve ter um único ponto de aterramento (jamais em ambas as pontas). Nas emendas entre canaletas, é necessário garantir a conexão de baixa impedância. Como, de maneira geral, as canaletas são anodizadas ou pintadas, o mero contato entre as peças não é suficiente. Um pequeno jumper com malha de cobre normalmente mostra-se eficiente. O rack de equipamentos também deve ser aterrado em ponto único e a conexão elétrica entre carcaças e rack deve ser garantida e testada. No caso do uso de cabos STP ou FTP, um patch panel de descarga precisa ser agregado ao rack, e esse terminador garantirá que a malha de aterramento do cabo encontrará caminho fácil de descarga para a terra. Se o cabo interconectar dois ativos de rede, um dos pacth panels deverá ser mantido desaterrado de forma a se manter o princípio do ponto único. 2.5 Flamabilidade de cabos de rede Cabeamentos metálicos para redes precisam ter em sua especificação técnica, obrigatoriamente, o cuidado com a propagação de incêndios. A preocupação cresce conforme as redes se avolumam. Pequenas redes, restritas a um ambiente, mesmo que dotadas de cabos propagantes de chamas, não terão grande influência sobre a evolução do eventual incêndio. Redes de maior porte, que interconectem várias salas ou andares de um prédio, podem ter no cabeamento o elo de propagação do incêndio entre ambientes que, de outra forma, permaneceriam isolados, fomentando a propagação das chamas. 11 O isolamento ou capa externa dos cabos Ethernet têm grafada a flamabilidade de projeto. A seguir, observe os códigos mais comuns do potencial de propagação de chamas e sua utilização: 1. CMX – cabos para instalações residenciais, alta flamabilidade; 2. CM – cabos para instalação profissional em ambientes horizontais de grande concentração de cabos, média flamabilidade; 3. CMR – cabos para instalações verticais, entre andares, baixa flamabilidade; 4. CMP – cabos para aplicações em locais confinados, baixa emissão de fumos tóxicos e baixa flamabilidade. TEMA 3 – PROJETO DE REDES WIFI IEEE 802.11 Uma breve revisão sobre alguns conceitos de redes sem fio no padrão IEEE 802.11 será encetado a seguir. O foco será enfatizar algumas características de projeto dessas redes que determinam a qualidade do serviço entregue aos usuários. Não se tem a ambição de descrever plenamente as redes sem fio, mas apenas apresentar alguns conceitos cujo conhecimento permitirá um desenho de sucesso para esta tecnologia. Na década de 1980, o IEEE iniciou um projeto de interconexão de equipamentos batizado de projeto 802. Esse projeto buscou uma padronização para as duas primeiras camadas do modelo OSI (física e enlace de dados) de forma a permitir a intercomunicação entre equipamentos computacionais. Dessa iniciativa nascem padrões de rede fiada (a exemplo do 802.3z ou Gigabit Ethernet) e também de redes sem fio. Vários padrões foram descritos, porém o padrão dominante foi o 802.11 batizado genericamente nas Américas de WiFi (abreviatura de Wireless Fidelity, ou fidelidade sem fio). Padronizaram-se inicialmente as faixas de frequência de operação bem como os tipos de modulação a serem utilizados. A padronização estabelece também como deve ocorrer a conexão entre estações e antenas. A operação poderá ocorrer gerenciada pela estação base (dita PCF, Point Coordination Fuction) ou distribuída entre as estações usuárias (dita DCF, Distributed Coordination Function). A padronização obriga que todas as estações operem com DCF, já PCF é opcional. O protocolo permite inclusive que, em uma única 12 rede ligada a uma estação básica (ou célula), ambas as funções operem simultaneamente. Na Figura 3, descreve-se suscintamente o protocolo de conexão que atende a DCF e PCF. Cada antena (dita AP – Access Point) da rede operará em uma frequência portadora apenas e as estações a ela conectadas compartilharão em tempo o meio para transmissão. Figura 3 – Diagrama do fluxo de conexão 802.11 Fonte: Forouzan; Mosharraf, 2011. Cada estação deve ocupar a frequência de modulação isoladamente, assim, o protocolo de camada física da rede sem fio desse padrão faz com que todas as estações receptoras escutem o meio continuamente, aguardando a desocupação. Estando a portadora livre, enviam uma requisição à antena (RTS) e aguardam a resposta de canal livre (CTS). Ao receber o CTS, a estação transmite os dados e aguarda a sinalização de recepção da antena (ACK). Se não o receber, aguardará o tempo de retardo e reenviará os dados até que obtenha sucesso. Naturalmente, esse padrão apresentará lentidão quando 13 muitas estações se conectam a uma única antena. Nesse caso, a probabilidade de que duas ou mais estações iniciem simultaneamente (ou quase simultaneamente) uma transmissão cresce. Em consequência, a antena terá dificuldades em entender as transmissões, e o resultado será a queda da velocidade de transmissão. Tal fato norteará, no projeto, a limitação de conexões por antena. Toda antena de WiFi apresenta um limite, dado pelo fabricante, aderente à norma IEEE, ou a ela superior, porém o exposto acima leva a recomendação de relacionar o número de conexões, em uma secção de rede (ou antena) com a eficiência da rede nesta seção. A norma seleciona também duas faixas de frequência de operação uma em UHF, de 2,4GHz a 4,8GHz e outra em SHF de 5,725 GHz a 5,850GHz. Os tipos de modulação padronizados utilizam espalhamento espectral, o que torna a transmissão WiFi bastante resiliente a ruídos interferentes. Ao projetarmos uma rede sem fio, buscamos a maior taxa de transmissão possível para os usuários, associada a uma cobertura ampla e estável. Para que possamos aproar o projeto para esses nortes, é necessário o entendimento da interdependência entre a escolha dos canais de operação e sua potência ou nível de sinal. Nas próximas seções, abordaremos esses temas bem como algumas observações sobre características de propagação que influenciam diretamente sobre a qualidade e a estabilidade do sinal. 3.1 Escolha de canais Na faixa de 2,4GHz, os canais têm banda de 22MHz, assim, mesmo existindo 11 canais disponíveis, para que não ocorra interferência, apenas 3 canais podem ser usados, como pode ser visto naFigura 4. Figura 4 – Canais WiFi faixa de 2,4GHz 14 A faixa de SHF já apresenta maior multiplicidade de canais, até 165 canais, cuja disponibilidade dependerá, entretanto, da versão da norma IEE, e naturalmente da banda ou velocidade que se queira transitar na rede. As redes WiFi mais usuais utilizam a faixa de UHF, uma vez que as interfaces de rede para essa frequência são mais econômicas. Nessas redes, a baixa disponibilidade obriga a alternância um tanto rígida entre a tríade 1, 6 e 11 de forma a se evitarem interferências, como exemplificado na Figura 4. Embora o uso de apenas 3 canais possa parecer parco, é possível estruturar redes bastante complexas com uso de certa engenhosidade. Figura 5 – Alternância de canais A tentação pelo uso de canais aparentemente livres fora dessa tríade clássica deve ser afastada vigorosamente, visto que limitará a velocidade máxima de transmissão abaixo do facultado pela interface, o que fatalmente resultará em insatisfação do usuário. Essa limitação se dá em função da indisponibilidade dos 22MHz para o espalhamento espectral e, como já comentado, a capacidade de transmissão de dados está ligada diretamente à banda disponível. Dito de outra forma, ao se escolher, por exemplo, o canal 3, por estarem os canais 1, 6 e 11 espectralmente congestionados, a banda regular de espalhamento ocupada pelo canal 3, escolhido, invadirá a banda de espalhamento tanto de 1 quanto de 6. O resultado será a redução da taxa máxima de transmissão em 3 e também nos canais 1 e 6. Na Figura 6, vê-se a área em vermelho identificando o espectro interferente. Dessa forma, o uso de canais alternativos tem por efeito a menor disponibilidade de banda e a interferência nos canais subjacentes. Seu uso é, portanto, a princípio, 15 recriminável. Aplicações de baixa velocidade, a exemplo de sensores industriais, no entanto, podem fazer uso dos canais intermediários à tríade. Nesse caso, é importante que a operação de rede tenha plena ciência da escolha de projeto. Figura 6 – Interferência entre canais Comente-se que, em redes WiFi de médio e grande porte, a seleção de canais é feita automaticamente pela controladora das antenas. A controladora mostra o espectro em torno de cada access point e escolhe interativamente a canalização. 3.2 Ajuste do nível de sinal Sistemas sem fio baseados na IEEE 802.11 têm limiares de operação em torno de -80dBm, ou seja, celulares, computadores portáteis ou outros dispositivos com interface rádio WiFi, operarão sem redução de taxa de transmissão se o nível do sinal na antena do receptor estiver acima desse nível. Há naturalmente a condição de ausência de interferência. O nível ótimo de operação, sem saturação do receptor, está em torno de -50dBm. O senso comum faz todo projetista de redes sem fio propor a utilização de potência de transmissão alta, quando não máxima, para as antenas. Elevadas potências de transmissão permitem que dispositivos fisicamente distantes se conectem confortavelmente à rede, ausentes de interferências. Ao se elevar a potência de transmissão, no entanto, impede-se a alternância de canais em espaço físico aceitável, ou seja, como as áreas cobertas por cada canal crescem, o número de antenas possíveis cai. Menos antenas significa menor número de dispositivos conectáveis. Outra consequência, ao se aumentar a densidade de dispositivos por antena, é intensificar o processamento de cada antena, que terá que administrar mais dispositivos ávidos por dados. O processamento elevado interfere no tempo de resposta e, finalmente, afeta a taxa de transmissão. 16 A fórmula do insucesso é combinar altas potências de transmissão com altas quantidades de antenas. O operador da rede se obrigará a elevar sucessivamente os níveis de potência de cada canal para compensar a interferência das antenas próximas. A consequência é a criação de um forno micro-ondas no ambiente de trabalho, deixando os colaboradores em cozimento lento. Abaixo se vê o mapa de cobertura de uma rede real com esse viés. O mapa de cobertura é a somatória das potências sintonizadas em determinada área, ou seja, mede-se o total de potência presente no espectro sob análise. No exemplo da Figura 7, a análise foi feita na faixa IEE 802.11, de 2,4Ghz. A análise simples desse mapa induz à conclusão de que tem bom nível de recepção em toda a instalação. Figura 7 – Mapa de cobertura de rede real com excesso de potência A observação, entretanto, da próxima figura (mapa de interferência) demonstra que o resultado do excesso de potência provoca um problema de interferência entre células cuja única solução possível é a redução da potência para o menor nível possível para a instalação. De fato, esta pode ser encarada como uma regra de sucesso, e manter a potência no mínimo possível para o projeto (considerando-se naturalmente as interferências exógenas e extemporâneas) resulta em uma rede mais controlável, menos interferente em relação aos vizinhos e mais saudável para seus usuários. 17 Figura 8 – Mapa de interferência de rede real com excesso de potência 3.3 Taxa de transmissão e velocidade de acesso A relação entre a taxa de transmissão de um determinado canal e a banda reservada a ele foi estabelecida por Nyquist em 1907 quando este matemático provou ser possível a amostragem de um sinal analógico e sua recuperação com o uso de, no mínimo, o dobro da frequência fundamental desse sinal. Esse teorema ficou conhecido como Teorema Nyquist-Shannon. Essa comprovação permite conclusão de que, em um canal de banda B, será possível trafegar à taxa máxima de 2B. Métodos de modulação avançados em múltiplos eixos permitiram, posteriormente, melhorar a relação entre banda e taxa de transmissão, sem, naturalmente, invalidar o teorema. De qualquer forma, para este estudo, importa a constatação de que existe uma relação direta entre banda do canal e máxima taxa de transmissão. A presença de interferência em um canal reduz sua banda livre e, portanto, reduz a taxa máxima de transmissão de dados no canal. As normas de rádio cognitivo em 2,4GHz sofreram evolução, conforme as técnicas de modulação avançavam. Assim, os primeiros padrões (802.11a e 802.11b) permitiam taxas máximas abaixo de 40Mbps; já o padrão posterior IEEE 802.11n facultava velocidades superiores a centenas de Mbps. O padrão ac, mais recente, duplicou ainda a capacidade do suportado pelo n. Todos esses parâmetros, no entanto, baseiam-se no pressuposto de ausência de interferência significativa no canal, uma vez que esta ocuparia, parcialmente, a banda 18 disponível. Naturalmente a percepção dessa interferência depende da discriminação mínima do receptor. Para os padrões 802.11, se o canal possuir ocupação espúria em níveis superiores a -90dBm, a taxa máxima de transmissão possível será menor que a máxima permitida pela tecnologia. Por esse motivo, o projeto deve preocupar-se em manter a interferência entre células de mesma frequência central (mesmo canal) em níveis inferiores a este. Normalmente quando se representa graficamente a célula de dado canal, utiliza-se o círculo mais externo como sendo o limite da área na qual a potência de recepção estará no limiar de recepção do rádio. Como já comentado, para o padrão WiFi este círculo identificará a potência de -90dBm, como ilustrado na Figura 9. Figura 9 – Interferência entre canais de mesma frequência central O canal 1a, da figura 9, não interferirá em 1b, visto que a potência emitida pelo access point de 1a será menor que -90dBm ainda na área de cobertura de 6a e 11a. Naturalmente é necessário verificar também se sinais de outras redes (externas a operação) estão presentes. Em caso afirmativo, é necessário estudar outra disposição de canalização. Quando essa solução se mostrar impossível, será necessárioaceitar certa redução na taxa máxima de transmissão de dados. Outra limitação se refere à ocupação de cada antena. Redes WiFi são redes de meio compartilhado, ou seja, a velocidade máxima de transmissão é compartilhada entre todos os clientes conectados em uma antena, assim antenas com alta densidade de conexão oferecerão taxas de conexão mais baixas por usuário que aquelas com menor densidade. 19 3.4 Características de propagação em 2,4GHz Ao se representar a área de cobertura de uma antena, por simplificação, se utiliza um círculo, mas essa não é, nem de longe, a situação real. Como ensina a física elementar, ondas eletromagnéticas sofrem atenuação, difração e reflexão ao se propagarem em um meio ou entre meios físicos diversos. Ondas de rádio não são exceções. Normalmente os projetos de redes sem fio pressupõem antenas omnidirecionais perfeitas, as quais propagariam o sinal de maneira uniforme em todas as direções. Aqui também a suposição está um pouco distante da realidade. Antenas WiFi de uso profissional para fixação em tetos tem lóbulo frontal levemente achatado, lóbulo posterior reduzido e alta propagação horizontal. A Figura 10 mostra o diagrama de radiação de uma antena real. Observe-se que o achatamento frontal no plano de elevação (E-plane) permite uma propagação melhor em um andar, com menor interferência no andar inferior e superior. Também é importante notar que, na direção horizontal, a radiação apresenta alguma variação, que pode chegar a mais de 3 dB (o que significa metade da potência do sinal). Figura 10 – Diagramas de elevação e horizontal de radiação da antena Fonte: Fortnet, 2020. Um fato bastante importante a se ressaltar (observável nos diagramas acima) é que antenas projetadas para fixação no teto não devem ser usadas em paredes, visto que as células de canais terão aspecto muito diferente do esperado, dificultando o projeto. 20 Além das diferenças de potência originadas no próprio projeto de fabricação de cada antena, o sinal, ao se propagar pelo ambiente, refletirá em alguns objetos, atravessará outros (sofrendo atenuações) e difratará. Cada objeto, ou material, tem permeabilidade diferente para cada faixa de frequência. Para que se compreenda esse tema, é necessário voltar às conclusões de Maxwell. Quando uma onda eletromagnética, propagando-se em espaço livre, colide com um objeto ou meio, parte da energia será refletida, outra atravessará o objeto. Nesse processo de transmissão, no interior do objeto, a onda sofrerá atenuação e redução de velocidade. Conforme a energia da onda aumenta (maior frequência), maior será a reflexão. Conforme a frequência diminui, maior será a penetração. Na transmissão, no interior do objeto, frequências maiores sofrerão maior absorção, a energia absorvida será então convertida em calor (NIST, 1993). Este, aliás, é o princípio do forno micro-ondas, que gera radiação na faixa de 2,5GHz. Quando a energia dessa onda colide com o alimento, boa parte dela é absorvida e transformada em calor, cujo efeito é o cozimento. A atenuação (absorção) da OEM quando transpassa um objeto depende de uma série de fatores, além da frequência acima comentada, cujo detalhamento não pode ser encetado neste curso. Uma visão sucinta desta relação, entretanto, está abaixo. Tomando a equação de Maxwell na notação vetorial que relaciona os vetores ortogonais dos campos elétrico (E) e magnético (H) : ∆ x H = Js + j ωε Exs É possível provar (Hayt, 1985) que o campo elétrico (Exs) sofre atenuação exponencial no eixo de propagação z segundo: Onde: Ex0 é o campo em z=0, na periferia imediata do objeto a ser transpassado α , β são as partes inteira e imaginária da constante de propagação ɣ, ou seja: ɣ = α + j β Esta simplificação se dá pela impossibilidade da solução literal da constante de propagação dada por: ɣ = jω √µε √(1- jδ / ωε) onde: 21 µ e ε são as constante de permissividade e permeabilidade e δ a condutividade ω como de hábito representa a velocidade angular proporcional à frequência. Do exposto acima, é possível concluir que a atenuação do campo elétrico (e consequentemente magnético) ao percorrer um meio ou corpo diferente do espaço livre, depende da frequência ω e dos parâmetros característicos de cada material (δ, µ e ε). Materiais metálicos, em que δ tem ordem de grandeza de 10⁷, absorvem a totalidade da energia, portanto são chamados de opacos para as OEM. Materiais dielétricos têm sua transparência dependente principalmente de ε (posto que δ é inexistente). Informação importante é que essa constante é três vezes maior do vidro que em alvenaria ou plásticos, assim a transparência do vidro, para as faixas de WiFi não é boa, ocorrendo reflexão; já alvenaria, madeiras e plásticos, embora atenuem o sinal, são bastante transparentes para as OEM nessa faixa de frequências. Dessa forma, a propagação em um ambiente de escritórios ou fabril será bem menos linear do que se estima inicialmente e dificilmente se conseguirá prever com precisão o comportamento real da rede. O que, no entanto, deve ser objeto de cuidado são áreas que possam representar sombreamento em virtude das características de propagação acima expostas. TEMA 4 – PROJETO DE REDES PARA AMBIENTE EMPRESARIAL – MICROEMPREENDIMENTOS Redes empresariais são a grande maioria de implementações de rede no mercado, uma vez que contemplam microempresas e empresas de pequeno e médio porte. Numericamente, essas empresas superam de longe aquelas outras corporações nacionais ou multinacionais, mesmo que estas tenham uma centena de filiais. Segundo dados do Sebrae (2020), do total de estabelecimentos empresariais no Brasil, 99% são micro e pequenas empresas. Tratar esse grande cômputo de forma única seria leviano, visto que as necessidades de uma microempresa são absolutamente diversas das demais. Também é fato que empresas de porte reduzido são quase domiciliares do ponto de vista de suas implementações de rede, por esse motivo analisaremos cada porte individualmente, neste e no próximo tema. 22 Microempreendimentos são definidos em lei (LC 123 de 14 de dezembro de 2006, Art. 3º.) como empresa organizada como sociedade simples, sociedade empresária, empresário Individual ou empresa individual de responsabilidade limitada, devidamente registrada, com receita anual bruta de até R$ 360.000,00. Dessa forma, como o faturamento mensal médio estará em torno de R$30.000,00, os gastos com comunicação não podem ser elevados. Para essas redes, importam soluções econômicas e eficientes. De maneira geral, haverá pouca dependência de processos de automação e controles computacionais, exceto se a atividade comercial estiver ligada diretamente a tecnologia ou internet. Poderá existir um sistema ou aplicação de controle, normalmente gratuita, com o escopo de emissão de notas fiscais e eventual acompanhamento de faturamento e estoque. É bastante comum, também, que o estabelecimento ofereça a seus clientes conexão gratuita à internet. A emissão de notas fiscais, por imposição legal, deve ser feita diretamente nos sítios de internet das receitas federal, estadual ou municipal. Todos esses sítios possuem aplicativos que permitem a emissão, mas são, de maneira geral pouco amigáveis. As aplicações de controle, além do já comentado, conectam- se a esses endereços, simplificando o processo de cadastramento de produtos, emissão de notas e controle de estoque. Muito embora o acesso à internet para emissão de notas e comprovantes fiscais deva ser prioritário, normalmente os sistemas de frente de caixa são capazes de tratar a indisponibilidade temporária da rede, mantendo a transmissão pausada até o retorno da conexão. Seguindo o framework proposto no início desta aula, analisaremos os temas muito brevemente dada a simplicidade da redepara essa aplicação. 4.1 Características físicas, natureza da operação e arquiteturas O projeto da rede para aplicação em microempresas normalmente se resume a uma entrada de dados, compartilhada ou não com telefonia e um roteador WiFi. Dessa forma, assemelha-se, sobremodo, às implantações domiciliares. O acesso sem fio nesses ambientes sempre encontra espectros carregados pelos vizinhos, e os equipamentos, de baixo custo, precisam ser configurados manualmente. O cuidado aqui refere-se à segurança mínima da rede e a disponibilidade para os clientes do estabelecimento. A ativação de firewalls rudimentares, presentes nos próprios roteadores wireless, e as 23 facilidades de segurança do sistema operacional, associadas a uma aplicação de antivírus, normalmente são suficientes para proteger a rede. Isso se dá pelo baixo interesse de hackers com essas redes, independentemente de sua vulnerabilidade. 4.2 Normas técnicas, meio ambiente e sustentabilidade Não existem normalizações específicas, já sedimentadas, para redes desse porte. Naturalmente, seguir as boas práticas de cabeamento e WiFi para redes de maior parte é sempre bem-vindo. TEMA 5 – PROJETO DE REDES PARA AMBIENTE EMPRESARIAL – EMPREENDIMENTOS DE PEQUENO E MÉDIO PORTE Empreendimentos de pequeno porte são definidos, de forma análoga ao visto acima, pela Lei Complementar n. 123, de 14 de dezembro de 2006, art. 3º (Brasil, 2006) desde que devidamente registrada, com receita anual bruta entre R$ 360.000,00 e R$ 4.800.000. Já médios empreendimentos não têm definição legal. O BNDES (2020) considera empresas com faturamento até R$ 300 milhões anuais como média. É uma faixa bastante larga de receitas, então, para os objetivos desse tema, tomaremos aproximadamente o meio da faixa, com faturamento mensal próximo de R$ 1 milhão. São empresas com mais de uma dezena de colaboradores, alguma estrutura de escritório para trabalho burocrático e provavelmente uma ou mais filiais. Os gastos com comunicação ainda não podem ser elevados, mas já justificam uma rede projetada por especialista e alguma preocupação com a disponibilidade. Para esse porte de redes normalmente são selecionados equipamentos de boa relação custo/benefício, ou seja, não necessariamente aqueles de menor custo, mas sim os que possam oferecer as facilidades e a disponibilidade mínima necessária para a rede. Assim, o projeto já exigirá certos critérios ausentes em redes de menor porte. Analisemos os pontos principais a seguir. 5.1 Características físicas Empreendimentos de pequeno e médio porte normalmente se instalam em imóveis reformados para sua operação, a exemplo de antigas residências ou salas comerciais. Esses imóveis, por não terem sido concebidos para a aplicação 24 comercial específica, normalmente não contam com infraestruturas próprias para rede e telecomunicações. Será então necessário implantar a infraestrutura civil (por vezes chamada de infraestrutura seca) antes da implantação da rede propriamente dita. Infraestruturas aparentes precisam respeitar certos limites estéticos para manter os ambientes aceitáveis. Canaletas e dutos próprios para redes serão preteridos em troca de canaletas de prioridade estética. Ainda assim será possível manter certo compromisso com a segurança eletromagnética da rede, visto existirem soluções de canalização com bom aspecto e aderente às necessidades de controle de interferências. O projetista, entretanto, deverá sustentar apropriadamente sua recomendação, uma vez que o custo dessas soluções é maior que o daquelas de uso residencial, com bom apelo estético, porém inapropriadas para redes de maior disponibilidade. Como já argumentado em tema anterior, deve-se coibir o compartilhamento de infraestrutura civil entre cabeamento de rede e elétrico, exceto quando as canaletas sejam concebidas para tanto. Canaletas em PVC, se utilizadas, devem manter estritamente o espaçamento mínimo com a rede elétrica prevista na norma técnica e evitar ambientes ruidosos, principalmente se houver presença de equipamentos tipicamente produtores de interferência eletromagnética como motores elétricos e fornos de micro-ondas. Nesses casos, deve-se seguir a recomendação para redução de ruídos impulsivos apresentada em secção anterior. As preocupações com aterramento e flamabilidade de cabos são especialmente importantes para essas implantações. 5.2 Natureza da operação Redes de pequenas e médias empresas apresentam já preocupação com a disponibilidade. Para esse porte de empreendimento a indisponibilidade da rede acarretará custo financeiro objetivo. A rede interna normalmente tem mais relevância, uma vez que, se indisponível, impossibilitará as operações burocráticas e eventualmente industriais. Já a conexão com a internet tem um peso financeiro menor. Alternativas pessoais do proprietário ou diretor da empresa suprem as necessidades emergenciais na maioria dos casos, exceção guardada a conexões VPN entre filiais com uso da internet. Do ponto de vista de segurança, já há uma maior atratividade para invasões, porém os riscos estarão ligados muito mais à engenharia social do que a vulnerabilidades específicas de rede ou das aplicações. Dito de outra maneira, 25 para esse porte de empreendimento, não haverá o desenvolvimento dedicado de um vírus, worm ou trojam para invasão da rede. Normalmente, ações de phishing são mais comuns, tirando proveito da relativa desorganização que essas empresas apresentam nessa área. Uma outra recomendação de segurança, com aspecto preventivo, nessas redes é a segregação dos dispositivos de IoT, em rede separada, sempre que possível. Discutiremos este assunto com mais detalhes em outra oportunidade. 5.3 Normas técnicas observáveis Para esse porte de empreendimento, a atenção às normas de instalação e cabeamento estruturado passa a ser importante, visto que o crescimento da rede é bastante provável. Redes implantadas e ampliadas sem a devida padronização se tornarão fonte incontrolável de problemas futuros. A seguir, as principais normas técnicas aplicáveis. • ABNT NBR 14705: cabos internos para telecomunicações – Classificação quanto ao comportamento frente à chama; • ANSI/TIA-568-C.0: generic telecommunications cabling for customer premises; normas gerais de implantação e manejo de cabeamento estruturado; • ANSI/TIA-568-C.1: commercial building telecommunications cabling standard; critérios de implantação, dutos, esteiras, curvas, entre outros; • ANSI/TIA-568-C.2: balanced twisted-pair telecommunications cabling and components standards; identifica os tipos de cabos e conectores além de critérios de instalação; • TIA/EIA-568 – A: cabeamento de telecomunicações de edifícios comerciais. Trata de padrões de cabeamento inclusive óptico, armários e cabeamentos internos; • EIA/TIA – 569 – A: sistemas de cabeamento estruturado. Essa norma estabelece regras para isolamento eletromagnético do cabeamento; • ANSI/TIA 607: regras de aterramento para prédios comerciais 5.4 Meio ambiente e sustentabilidade Empresas de pequeno e médio porte têm pouca aderência aos princípios de sustentabilidade ambiental, exceto em casos específicos, quando a atividade 26 da empresa o exige ou por apreço dos sócios. De qualquer forma, alguns aspectos podem ser observados com vantagens financeiras para a empresa. A escolha de ativos de rede, como switches, roteadores e firewalls, que possuam aderência a princípios de manutenibilidade, embora eventualmente com custo de aquisição maior, tem custo total de vida útil menor. Esses equipamentos normalmente possuem TMEF (tempo médio entre falhas) elevado, o que faculta uma disponibilidade maior da rede e permitem a manutenção corretiva quando necessário. Há equipamentos inclusive com protocolos de manutenção preventiva, permitindo avaliar a longevidade restantedo equipamento. 5.5 Arquitetura Considerando-se a vasta gama de redes possíveis para empresas pequenas e médias, não há como propor uma arquitetura padronizada. Quanto mais próximo o projeto da rede daquele proposto para grandes corporações (ou para redes industriais, conforme o caso), mais fácil será a ampliação da rede. Dessa forma, adiaremos a discussão de arquitetura, quando discutiremos o tema com a profundidade necessária. FINALIZANDO Nesta aula, revisamos alguns conceitos sobre cabeamento metálico e redes sem fio imprescindíveis ao bom projeto de redes. Importantes conceitos sobre controle de interferência, tanto em cabeamento metálico quanto em rádio propagação, foram apresentados com sua aplicação em redes de computadores. Esses conceitos precisam ser cuidadosamente estudas por serem o fundamento de um projeto exitoso na maioria das aplicações que estudaremos neste curso. Examinamos também redes típicas de microempresas, empresas pequenas e médias. Essas são as redes de menor complexidade. Escolhemos essa abordagem para que fixemos os conceitos apresentados com base em construções mais simples. 27 REFERÊNCIAS BRASIL. Lei Complementar n. 123, de 14 de dezembro de 2006. Diário Oficial da União, Poder Legislativo, Brasília, DF, 15 dez. 2006. BNDES – Banco Nacional de Desenvolvimento Quem pode ser cliente. BNDES, S.d. Disponível em: <https://www.bndes.gov.br/wps/portal/site/home/financiamento/guia/quem- pode-ser-cliente>. Acesso em: 25 jul. 2020. FOROUZAN, B; MOSHARRAF, F. Fundamentos da ciência da computação. São Paulo: Cengage, 2011. FREITAS, C. A. Introdução à engenharia. São Paulo: Biblioteca Universitária Pearson 2014. HAYT, W. H. Eletromagnetismo. São Paulo: Livros Técnicos Científicos, 1985. KUROKAWA, S. et al. Representação de linhas de transmissão por meio de variáveis de estado levando em consideração o efeito da frequência sobre os parâmetros longitudinais. Sba: Controle & Automação Sociedade Brasileira de Automática, v. 18, n. 3, p. 337-346, 2007. LIMA FILHO, E. C. Fundamentos de rede e cabeamento estruturado. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2014. SEBRAE. Disponível em: <https://www.sebrae.com.br/sites/PortalSebrae/ufs/sp/sebraeaz/pequenos- negocios-em-numeros,12e8794363447510VgnVCM1000004c00210aRCRD>. Acesso em: 25 jul. 2020. SILVA, C. E.; SANTIAGO, A. J.; ASSIS, A. S. Eletromagnetismo: fundamentos e simulações. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2014. SOARES NETO, V.; SILVA, A. P.; BOSCATO JÚNIOR, M. Telecomunicações: redes de alta velocidade, cabeamento estruturado. São Paulo: Érica, 1999.
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