Apostila de redes

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Os Elementos de uma Rede:
O diagrama mostra os elementos de uma rede comum, incluindo dispositivos, meios físicos e serviços, reunidos por regras que funcionam em conjunto para enviar mensagens. Usamos a palavra mensagens como um termo que abrange páginas web, e-mail, mensagens instantâneas, ligações telefônicas e outras formas de comunicação possibilitadas pela Internet. Existe uma variedade de mensagens, dispositivos, meios físicos e serviços que permitem a comunicação dessas mensagens.
As redes de comunicação são, em grande parte, orientadas graficamente e ícones são normalmente usados para representar dispositivos de rede. O lado esquerdo do diagrama são mostrados alguns dispositivos comuns que freqüentemente originam mensagens que compõem nossa comunicação. Eles incluem vários tipos de computadores (ícones de um computador pessoal e de um notebook são mostrados), servidores e telefones IP. Em redes locais, esses dispositivos normalmente são conectados por meio de uma rede de área local (LAN – com ou sem fio).
O lado direito da figura mostra alguns dos dispositivos intermediários mais comuns, usados para direcionar e gerenciar mensagens através da rede, assim como outros símbolos comuns de rede. Símbolos genéricos são mostrados para:
Switch – o dispositivo mais comum para interligar redes locais
Firewall – fornece segurança às redes
Roteador – ajuda a direcionar mensagens conforme elas navegam pela rede
Roteador sem fio – um tipo específico de roteador normalmente encontrado em redes residenciais
Nuvem – usado para resumir um grupo de dispositivos de rede. Detalhes sobre isso não são relevantes para esta discussão
Link serial – uma forma de interligação WAN, representada por uma seta piscando.
Para que uma rede funcione, os dispositivos devem estar interligados. As conexões de rede podem ser com ou sem fio. Nas conexões com fio, pode-se usar cobre que transmite sinais elétricos, ou fibra ótica, que transmite sinais de luz.
Nas conexões sem fio, o meio físico é a atmosfera terrestre ou o espaço e os sinais são microondas. Cobre inclui cabos, como fios de telefone com par trançado, cabos coaxiais ou mais comumente, o que é conhecido como cabo UTP de categoria 5 (Par trançado sem blindagem). 
Fibras óticas, finos fios de vidro ou plástico que transmitem sinais de luz, são outra forma de meio físico de rede. As conexões sem fio podem incluir uma conexão residencial entre um roteador sem fio e um computador com uma placa de rede compatível, a conexão sem fio entre duas estações remotas, ou a comunicação entre dispositivos na terra e satélites. Numa típica viagem através da Internet, uma mensagem pode viajar por meio de uma variedade de meios físicos.
A Arquitetura das Redes:
As redes devem suportar uma grande variedade de aplicações e serviços, assim como operar em vários tipos diferentes de infra-estrutura física. O termo arquitetura de rede, neste contexto, se refere às tecnologias que apóiam a infra-estrutura e serviços programados e aos protocolos que movimentam as mensagens através dessa infra-estrutura. Conforme a Internet e as redes em geral evoluem, estamos descobrindo que há quatro características básicas que as arquiteturas subjacentes precisam abordar para estar à altura das expectativas do usuário: tolerância a falhas, escalabilidade, Qualidade de Serviço e segurança.
Tolerância a falhas
A expectativa de que a Internet esteja sempre disponível aos milhões de usuários que dependem dela requer uma arquitetura de rede projetada e construída para ser tolerante a falhas. Uma rede tolerante a falhas é aquela que limita o impacto de uma falha no hardware ou software e consegue se recuperar rapidamente quando tal falha ocorre. Essas redes dependem de links ou caminhos redundantes entre a origem e o destino de uma mensagem. Se um link ou caminho falha, processos asseguram que as mensagens possam ser instantaneamente encaminhadas por um link diferente invisível aos usuários de cada extremidade. Ambos as infra-estruturas físicas e os processos lógicos que direcionam as mensagens através da rede são projetados para acomodar essa redundância. Essa é uma premissa básica da arquitetura das redes atuais.
Escalabilidade
Uma rede escalável pode se expandir rapidamente para suportar novos usuários e aplicações, sem causar impacto no desempenho do serviço fornecido aos usuários existentes. Milhares de novos usuários e prestadores de serviços se conectam a Internet a cada semana. A habilidade da rede de suportar essas novas conexões depende de um projeto hierárquico em camadas para a infra-estrutura física subjacente e a arquitetura lógica. A operação em cada camada possibilita que usuários e provedores de serviços sejam inseridos sem causar distúrbios na rede inteira. A evolução tecnológica tem aumentado constantemente a capacidade de transmissão de mensagens e o desempenho dos componentes da infra-estrutura física em cada camada. Essa evolução, juntamente com os novos métodos para identificar e localizar usuários individuais em redes interconectadas tem possibilitado que a Internet acompanhe o ritmo da demanda dos usuários
Qualidade de Serviço (QoS)
A Internet oferece atualmente um nível aceitável de tolerância a falhas e escalabilidade aos seus usuários. Mas novas aplicações disponíveis aos usuários nas conexões de redes criam maiores expectativas quanto à qualidade dos serviços oferecidos. Transmissões de voz e vídeo ao vivo requerem um nível de qualidade consistente e ininterrupta que não era necessário para as aplicações tradicionais de computador. A qualidade desses serviços é medida de acordo com a qualidade de se experimentar a mesma apresentação em áudio ou vídeo pessoalmente. Redes tradicionais de voz e vídeo são projetadas para suportar um único tipo de transmissão e, portanto, são capazes de produzir um nível aceitável de qualidade. Novos requisitos para suportar esta Qualidade de Serviço em rede convergida estão mudando a maneira como arquiteturas de rede são projetadas e implementadas.
Segurança
A Internet evoluiu de uma rede altamente controlada de organizações educacionais e governamentais para um meio de transmissão de comunicações pessoais e comerciais de amplo acesso. Em conseqüência, os requisitos de segurança de rede mudaram. As expectativas de segurança e privacidade que resultam do uso da rede para trocar informações de negócios importantes e confidenciais excedem o que a atual arquitetura pode oferecer. A rápida expansão nas áreas de comunicação que não usavam os serviços de redes de dados tradicionais está aumentando a necessidade da segurança embutida na arquitetura de rede. Consequentemente, um grande esforço está sendo dedicado a essa área de pesquisa e desenvolvimento. Enquanto isso, várias ferramentas e procedimentos estão sendo implementados para combater falhas de segurança inerentes à arquitetura de rede.
Uma Arquitetura de Redes tolerante a falhas:
A Internet, em sua concepção inicial, resultou da pesquisa financiada pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DoD). Seu principal objetivo era ter um meio de comunicação que pudesse resistir à destruição de inúmeros locais e instalações de transmissão sem perturbar o serviço. Assim, a tolerância a falhas era o foco dos esforços do projeto inicial da conexão entre redes. Os primeiros pesquisadores de redes observavam as redes de comunicação existentes, que eram usadas inicialmente para a transmissão de voz, para determinar o que poderia ser feito para melhorar o nível de tolerância a falhas.
Redes orientadas à conexão de comutação de circuito:
Para compreender o desafio que os pesquisadores do DoD estavam enfrentando, é preciso analisar como os antigos sistemas de telefonia funcionavam. Quando uma pessoa faz uma ligação usando um aparelho de telefone tradicional, a ligação primeiramente passa por um processo de configuração, no qual todos os locais de comutação entre a pessoa e o aparelhode telefone para o qual está ligando são identificados. Um caminho ou circuito temporário é criado através dos vários locais de comutação para uso durante a ligação telefônica. Se qualquer link ou dispositivo que participa do circuito falhar, a ligação cai. Para reconectar, uma nova ligação deve ser feita, e um novo circuito criado entre o aparelho de telefone de origem e o destino. Esse tipo de rede orientada à conexão é chamada de rede de comutação de circuito. As primeiras redes desse tipo não recriavam dinamicamente circuitos interrompidos. Para se recuperar da falha, novas ligações tinham que ser iniciadas e novos circuitos construídos, de fim-a-fim.
Muitas redes de comutação de circuito dão prioridade à manutenção das conexões de circuito existentes, apesar da necessidade de novos circuitos. Neste tipo de rede orientada à conexão, uma vez que um circuito é estabelecido, mesmo que não ocorra comunicação entre as pessoas, o circuito permanece conectado, e os recursos reservados até que uma das partes interrompa a ligação. Já que há uma capacidade finita de criar novos circuitos, é possível ocasionalmente receber uma mensagem de que todos os circuitos estão ocupados e que a ligação não pode ser completada. O custo para criar vários caminhos alternativos com capacidade suficiente para suportar um grande número de circuitos simultâneos e as tecnologias necessárias para recriar dinamicamente circuitos interrompidos no caso de uma falha, levaram o DoD a considerar outros tipos de redes.
Redes sem conexão de comutação de pacotes:
Na busca por uma rede que pudesse resistir à perda de uma quantidade significativa de suas instalações de comutação e transmissão, os primeiros criadores da Internet reavaliaram as pesquisas iniciais sobre redes de comutação de pacotes. A premissa para esse tipo de rede é que uma única mensagem pode ser separada em múltiplos blocos de mensagem. Blocos individuais contendo informações de endereçamento indicam tanto o ponto de origem como seu destino final. Usando essa informação inerente, esses blocos de mensagem, chamados pacotes, podem ser enviados através da rede por vários caminhos e podem ser reunidos na mensagem original ao chegar ao seu destino.
Uso de pacotes
Os próprios dispositivos de rede não sabem o conteúdo dos pacotes individuais; só é visível o endereço do destino final e o próximo dispositivo no caminho para o destino. Nenhum circuito reservado é construído entre emissor e receptor. Cada pacote é enviado independente de um local de comutação para outro. Em cada local, uma decisão de roteamento é feita sobre qual caminho usar para enviar o pacote ao seu destino final. Se um caminho anteriormente usado não estiver mais disponível, a função de roteamento pode dinamicamente escolher o próximo melhor caminho disponível. Como as mensagens são enviadas em pedaços ao invés de em uma única mensagem completa, os pacotes que podem ser perder por ocasião de uma falha podem ser retransmitidos ao destino por caminhos diferentes. Em muitos casos, o dispositivo de destino não percebe que qualquer falha ou redirecionamento ocorreu.
Os pesquisadores do DoD perceberam que uma rede sem conexão de comutação de pacotes possuía as características necessárias para suportar uma arquitetura de rede resistente e tolerante a falhas. A necessidade de um circuito único reservado do início ao fim não existe em uma rede de comutação de pacotes. Qualquer parte da mensagem pode ser enviada através da rede usando qualquer caminho disponível. Pacotes contendo partes de mensagens de diferentes origens podem navegar juntos na rede ao mesmo tempo. O problema de circuitos não direcionados ou ociosos é eliminado – todos os recursos disponíveis podem ser usados a qualquer hora para enviar pacotes ao seu destino final. Ao fornecer um método para o uso dinâmico de caminhos redundantes, sem intervenção do usuário, a Internet se tornou um método de comunicação escalável e tolerante a falhas.
Componentes de uma Rede:
O caminho que uma mensagem faz da origem ao destino pode ser tão simples quanto um único cabo conectando um computador a outro ou tão complexo quanto uma rede que literalmente atravessa o globo. Essa infra-estrutura de rede é a plataforma que suporta a nossa rede humana. Ela fornece um canal estável e confiável sobre o qual nossas comunicações podem ocorrer. 
Dispositivos e meio físico (mídia) são os elementos físicos ou hardware da rede. O hardware é geralmente os componentes visíveis da plataforma de rede, tais como um laptop, um PC, um switch, ou os cabos usados para conectar os dispositivos. Ocasionalmente, alguns componentes podem não ser tão visíveis. No caso do meio físico sem fio, as mensagens são transmitidas pelo ar com a utilização de freqüência de rádio invisível ou ondas infravermelhas.
Serviços e processos são os programas de comunicação, chamados de software, que são executados nos dispositivos conectados à rede. Um serviço de rede fornece informação em resposta a uma solicitação. Serviços incluem muitas das aplicações de rede comuns que as pessoas usam todos os dias, como serviços de hospedagem de e-mail e serviços de hospedagem na Internet. Os processos fornecem a funcionalidade que direciona e move as mensagens pela rede. Os processos são menos óbvios para nós, mas são cruciais para a operação de rede.
Dispositivos Finais e seu papel na Rede:
Os dispositivos de rede que as pessoas são mais familiarizadas são chamados de dispositivos finais. Esses dispositivos formam a interface entre a rede humana e a rede de comunicação. Alguns exemplos de dispositivos finais são:
- Computadores (estações de trabalho, laptops, servidores de arquivo, servidores Web)
- Impressoras de rede
- Telefones VoIP
- Câmeras de segurança
- Dispositivos móveis (tais como scanners de códigos de barras sem fio, PDAs)
No contexto de rede, dispositivos finais são mencionados como hosts. Um dispositivo host pode ser tanto a origem ou o destino de uma mensagem transmitida pela rede. Para distinguir um host de outro, cada host em uma rede é identificado por um endereço. Quando um host inicia a comunicação, ele usa o endereço do host de destino para especificar onde a mensagem deve ser enviada.
Em redes modernas, um host pode agir como um cliente, um servidor, ou ambos. O software instalado no host determina qual papel ele desempenha na rede.
Servidores são hosts que têm software instalado que os permite fornecer informação e serviços, como e-mail ou páginas web, a outros hosts na rede.
Clientes são hosts que têm software instalado que os permite solicitar e exibir as informações obtidas do servidor.
Dispositivos Intermediários e seu papel na Rede:
Além dos dispositivos finais que as pessoas são familiarizadas, as redes contam com dispositivos intermediários para fornecer conectividade e operar por trás do cenário para garantir que os dados fluam através da rede. Esses dispositivos conectam os hosts individuais à rede e podem conectar múltiplas redes individuais para formar uma internetwork (rede interconectada). Exemplos de dispositivos intermediários de rede são:
- Dispositivos de Acesso a Rede (Hubs, switches e pontos de acesso sem fio (access points))
- Dispositivos de Redes Interconectadas (roteadores)
- Servidores e Modems de Comunicação
- Dispositivos de Segurança (firewalls)
O gerenciamento de dados à medida que este flui pela rede também é um papel dos dispositivos intermediários. Esses dispositivos usam o endereço de host de destino, em conjunto com as informações sobre as interconexões de rede, para determinar o caminho que as mensagens devem realizar pela rede. Processos sendo executados nos dispositivos de rede intermediários desempenham essas funções:
- Regenerar e retransmitir sinais de dados
- Manter informação sobre quais caminhos existem pela rede e pela internetwork (rede interconectada)
- Notificar outros dispositivos sobre erros e falhas de comunicação- Direcionar dados por caminhos alternativos quando houver uma falha de link
- Classificar e direcionar mensagens de acordo com prioridades (QoS)
- Permitir ou negar um fluxo de dados, com base em configurações de segurança.
Hubs e Switches:
Os Hubs não desempenham qualquer tipo de filtragem de tráfego, em vez disso, o hub envia todos os bits a todos os dispositivos conectados a ele. Isso força todos os dispositivos na LAN a compartilhar a largura de banda do meio físico.
Além disso, essa implementação da Ethernet clássica resulta frequentemente em altos níveis de colisões na LAN. Por causa desses problemas de desempenho, esse tipo de LAN Ethernet limitou a utilização nas redes de hoje em dia. As implementações Ethernet usando hubs são, hoje, comumente usadas somente em pequenas LANs ou em LANs com baixas exigências de largura de banda.
Compartilhar o meio físico entre dispositivos cria problemas significativos à medida que a rede cresce. A figura ilustra alguns dos problemas apresentados aqui.
Escalabilidade
Em uma rede com hub, há um limite à quantidade de largura de banda que os dispositivos conseguem compartilhar. Com cada dispositivo agregado ao meio físico compartilhado, a largura de banda média disponível a cada dispositivo diminui. A medida que aumenta o número de dispositivos no meio físico, o desempenho é degradado. 
Latência
A latência de rede é a quantidade de tempo que se leva para um sinal atingir todos os destinos no meio físico. Cada nó em uma rede baseada em hub tem que esperar por uma oportunidade para transmitir, para evitar colisões. A latência pode aumentar significativamente à medida que a distância entre os nós é expandida. A latência também é afetada por um atraso do sinal pelo meio físico, bem como pelo atraso adicionado pelo processamento dos sinais através de hubs e repetidores. Aumentar a extensão do meio físico ou o número de hubs e repetidores conectados a um segmento resulta em crescente latência. Com uma maior latência, é mais provável que os nós não recebam sinais iniciais, aumentando, assim, as colisões presentes na rede.
Falha de Rede
Pelo fato de que a Ethernet clássica compartilha o meio físico, qualquer dispositivo na rede poderia causar potenciais problemas a outros dispositivos. Se qualquer dispositivo conectado ao hub gera tráfego prejudicial, a comunicação para todos os dispositivos no meio físico poderia ser impedida. Esse tráfego perigoso pode ocorrer devido a velocidade incorreta ou configurações full-duplex em uma NIC.
Colisões
De acordo com o CSMA/CD, um nó não deve enviar um pacote a menos que a rede esteja livre de tráfego. Se dois nós enviam pacotes ao mesmo tempo, ocorre uma colisão e os pacotes são perdidos. Então, ambos os nós enviam um jam signal, esperam por uma quantidade de tempo aleatória e retransmitem seus pacotes. Qualquer parte da rede onde os pacotes de dois ou mais nós podem interferir um com o outro é considerada um domínio de colisão. Uma rede com um número maior de nós no mesmo segmento possui um domínio de colisão maior e tem comumente mais tráfego. À medida que a quantidade de tráfego na rede aumenta, aumenta também a probabilidade de colisões.
Switches fornecem uma alternativa ao ambiente baseado em contenção da Ethernet clássica.
Usando Switches:
Nos últimos anos, os switches se tornaram rapidamente uma parte fundamental da maioria das redes. Os switches permitem a segmentação da LAN em domínios de colisão separados. Cada porta do switch representa um domínio de colisão separado e fornece largura de banda total ao nó ou nós conectado(s) nesta porta. Com menos nós em cada domínio de colisão, há um aumento na largura de banda média disponível para cada nó, e as colisões são reduzidas.
Uma LAN pode ter um switch centralizado conectando-se a hubs que fornecem conectividade aos nós. Ou, uma LAN pode ter todos os nós conectados diretamente a um switch. Essas topologias são mostradas na figura.
Em uma LAN onde um hub é conectado a uma porta de switch, ainda há compartilhamento de largura de banda, que poderá resultar em colisões dentro do ambiente compartilhado do hub. No entanto, o switch isolará o segmento e isolará as colisões nas portas do hub.
Nós são Conectados Diretamente
Em uma LAN onde todos os nós são conectados diretamente ao switch, a taxa de transferência da rede aumenta drasticamente. As três razões principais para esse aumento são:
- Largura de banda dedicada a cada porta
- Ambiente livre de colisão
- Operação em full-duplex
Essas topologias de estrela física são essencialmente links ponto-a-ponto.
Largura de Banda Dedicada
Cada nó possui a largura de banda total do meio físico disponível na conexão entre o nó e o switch. Pelo fato de que um hub replica os sinais que recebe e os envia a todas as outras portas, os hubs Ethernet formam um barramento lógico. Isso significa que todos os nós têm que compartilhar a mesma largura de banda desse barramento. Com os switches, cada dispositivo possui efetivamente uma conexão ponto-a-ponto dedicada entre o dispositivo e o switch, sem contenção de meio físico. 
Como um exemplo, compare duas LANs de 100 Mbps, cada uma com 10 nós. No segmento de rede A, os 10 nós são conectados a um hub. Cada nó compartilha a largura de banda de 100 Mbps disponível. Isso fornece uma media de 10 Mbps para cada nó. No segmento de rede B, os 10 nós são conectados a um switch. Nesse segmento, todos os 10 nós possuem toda a largura de banda de 100 Mbps disponível para eles.
Mesmo nesse pequeno exemplo de rede, o aumento na largura de banda é significativo. À medida que aumenta o número de nós, a discrepância entre a largura de banda disponível nas duas implementações aumenta significativamente. 
Ambiente Livre de Colisões
Uma conexão ponto-a-ponto dedicada de um switch também remove qualquer contenção de meio físico entre os dispositivos, permitindo que um nó opere com poucas ou nenhuma colisão. Em uma rede Ethernet clássica com tamanho moderado usando hubs, aproximadamente de 40% a 50% da largura de banda é consumida pela recuperação de colisão. Em uma rede Ethernet comutada – onde não há colisões – o overhead dedicado a recuperação de colisão é eliminado. Isso fornece à rede comutada taxas de transferência significativamente melhores.
Operação em Full-Duplex
A Comutação também permite que uma rede opere em um ambiente Ethernet em full-duplex. Antes de existir a comutação, a Ethernet era somente half-duplex. Isso significava que a qualquer momento, um nó poderia transmitir ou receber. Com o full-duplex habilitado em uma rede Ethernet comutada, os dispositivos conectados diretamente às portas do switch podem transmitir e receber simultaneamente, com a largura de banda total do meio físico. 
A conexão entre o dispositivo e o switch é livre de colisão. Isso dobra efetivamente a taxa de transmissão em comparação ao half-duplex. Por exemplo, se a velocidade da rede é de 100 Mbps, cada nó pode transmitir um quadro a 100 Mbps e, ao mesmo tempo, receber um quadro na mesma velocidade.
Usando Switches em Vez de Hubs
A maioria das Ethernet modernas usa switches para os dispositivos finais e opera em full duplex. Pelo fato dos switches fornecerem uma taxa de transferência muito maior do que os hubs e porque eles aumentam consideravelmente o desempenho, é justo perguntar: por que não usar switches em todas as LANs Ethernet? Existem três motivos para os hubs ainda estarem sendo usados:
Disponibilidade – Switches LAN não eram desenvolvidos até o início da década de 90 e não estavam disponíveis até a metade dessa mesma década. Ethernets recentes usavam hubs para UTP e muitas delas estão em operação até hoje
Economia – Inicialmente, os switches eram caros. Como o preço dos switches caiu, o uso de hubs diminuiu e o custo está se tornando o menor fator nas decisões. 
Exigências – As recentes redes LAN eram simples redes elaboradas para trocar arquivos e compartilharimpressoras. Para muitos locais, as redes recentes evoluíram para as redes convergidas atuais, resultando em uma necessidade substancial por maior largura de banda disponível a usuários individuais. Em algumas circunstâncias, no entanto, um hub de meio físico compartilhado ainda será suficiente e esses produtos permanecem no mercado.
Roteadores:
Um roteador é um computador, assim como qualquer outro, inclusive um PC. O primeiro roteador, usado na ARPANET (Advanced Research Projects Agency Network), foi o Processador de Mensagem da Interface (IMP, Interface Message Processor). O IMP era um minicomputador Honeywell 316; esse computador deu vida à ARPANET no dia 30 de agosto de 1969. 
Nota: a ARPANET foi desenvolvido pela ARPA (Advanced Research Projects Agency) do Departamento de Defesa dos Estados Unidos. A ARPANET foi a primeira rede de comutação de pacotes operacional do mundo e a antecessora da Internet atual.
Os roteadores têm muitos componentes de hardware e de software iguais encontrados em outros computadores, inclusive:
- CPU
- RAM
- ROM
- Sistema operacional
Roteadores estão no centro da rede
Os usuários típicos talvez desconheçam a presença de vários roteadores em sua própria rede ou na Internet. Os usuários esperam ser capazes de acessar páginas da Web, enviar emails e baixar músicas – independentemente do servidor acessado estar em sua própria rede ou em outra rede no mundo. No entanto, os profissionais de networking sabem que o roteador é responsável por encaminhar pacotes de rede-a-rede, da origem original para o destino final.
Um roteador conecta várias redes. Isso significa que ele tem várias interfaces pertencentes a uma rede IP diferente. Quando um roteador recebe um pacote IP em uma interface, ele determina que interface usar para encaminhar o pacote para seu destino. A interface que o roteador usa para encaminhar o pacote pode ser a rede do destino final do pacote (a rede com o endereço IP de destino desse pacote) ou pode ser uma rede conectada a outro roteador usado para alcançar a rede de destino.
Cada rede a que um roteador se conecta costuma exigir uma interface separada. Essas interfaces são usadas para conectar uma combinação de redes locais (LANs, Local Area Networks) e redes remotas (WAN, Wide Area Networks). As redes locais costumam ser redes Ethernet que contêm dispositivos como PCs, impressoras e servidores. As WANs são usadas para conectar redes em uma área geográfica extensa. Por exemplo, uma conexão WAN costuma ser usada para conectar uma rede local à rede do Provedor de Internet (ISP, Internet Service Provider).
Na figura, vimos que os roteadores R1 e R2 são responsáveis por receber o pacote em uma rede e encaminhar o pacote por outra rede para a rede de destino.
Roteadores determinam o melhor caminho
A responsabilidade primária de um roteador é direcionar pacotes com destino para redes locais e remotas:
- Determinando o melhor caminho para enviar pacotes 
- Encaminhando pacotes para o destino
O roteador usa sua tabela de roteamento para determinar o melhor caminho para encaminhar o pacote. Quando o roteador recebe um pacote, ele examina seu endereço IP de destino e procura a melhor correspondência com um endereço de rede na tabela de roteamento do roteador. A tabela de roteamento também inclui a interface a ser usada para encaminhar o pacote. Quando uma correspondência é localizada, o roteador encapsula o pacote IP no quadro de enlace da interface de saída, e o pacote é encaminhado para seu destino.
É muito provável que um roteador receba um pacote encapsulado em um tipo de quadro de enlace, como um quadro Ethernet e, ao encaminhar o pacote, o encapsule em um tipo diferente de quadro de enlace, como o Protocolo Ponto a Ponto (PPP, Point-to-Point Protocol). O encapsulamento do quadro de enlace depende do tipo de interface do roteador e do tipo de meio a que ele se conecta.
Na figura, podemos acompanhar um pacote do PC de origem até o PC de destino. Observe que é de responsabilidade do roteador localizar a rede de destino em sua tabela de roteamento e encaminhar o pacote em para seu destino. Neste exemplo, o Roteador R1 recebe o pacote encapsulado em um quadro Ethernet. Depois do desencapsulamento do pacote, R1 usa o endereço IP de destino do pacote para pesquisar sua tabela de roteamento em busca de um endereço de rede correspondente. Depois que um endereço de rede de destino é localizado na tabela de roteamento, R1 encapsula o pacote em um quadro PPP e o encaminha para R2. Um processo semelhante é executado por R2.
Meio Físico – Conectando a Comunicação
Meio Físico de Cobre
O meio físico mais utilizado para a comunicação de dados é o cabeamento que usa fios de cobre para sinalizar dados e controlar bits entre os dispositivos de rede. O cabeamento utilizado para a comunicação de dados geralmente consiste em uma série de fios de cobre individuais que formam circuitos dedicados para funções específicas de sinalização. 
Outros tipos de cabeamento de cobre, conhecidos como cabo coaxial, têm um único condutor que é instalado no centro do cabo envolvido por outra proteção, mas que fica isolado dela. O tipo de meio físico de cobre escolhido é especificado pelo padrão da Camada Física exigido pela Camada de Enlace de Dados de dois ou mais dispositivos de rede.
Esses cabos podem ser utilizados para conectar nós de uma LAN a dispositivos intermediários, como roteadores e switches. Os cabos também são utilizados para conectar dispositivos WAN a provedores de serviços de dados, como uma companhia telefônica. Cada tipo de conexão e dispositivos possui exigências de cabeamento estipuladas pelos padrões da camada Física.
O meio físico de rede geralmente utiliza tomadas e conectores modulares, que fornecem fácil conexão e desconexão. Além disso, um único tipo de conector físico pode ser utilizado para diversos tipos de conexões. Por exemplo, o conector RJ-45 é amplamente utilizado em LANs com um tipo de meio físico e em algumas WANs com outro tipo de meio físico.
A figura mostra alguns meios físicos de cobre e conectores mais utilizados:
Interferência de Sinal Externo
Os dados são transmitidos por cabos de cobre como pulsos elétricos. Um detector na interface de rede de um dispositivo de destino deve receber o sinal que poderá ser decodificado com êxito para corresponder ao sinal enviado.
Os valores de tempo e de voltagem desses sinais estão suscetíveis a interferência ou "ruído" externos ao sistema de comunicação. Esses sinais não esperados podem distorcer e corromper os sinais de dados transportados pelo meio físico de cobre. As ondas de rádio e os dispositivos eletromagnéticos, como luzes fluorescentes, motores elétricos e outros dispositivos são fontes de ruído em potencial. 
Os tipos de cabo com isolamento ou com pares trançados de fios são desenvolvidos para minimizar a degradação do sinal devido ao ruído eletrônico. 
A susceptibilidade dos cabos de cobre ao ruído eletrônico também pode ser limitada pelo(a):
- Seleção de tipos de cabo ou categorias mais adequadas à proteção dos sinais de dados em um determinado ambiente de rede
- Desenvolvimento de uma infra-estrutura de cabos para evitar fontes conhecidas e potenciais de interferência na estrutura do prédio
- Utilização de técnicas de cabeamento que incluam a correta manipulação e conexão dos cabos
A figura mostra algumas fontes de interferência:
Cabo de Par-Trançado Não Blindado (UTP)
O cabeamento UTP (Unshielded twisted-pair), conforme utilizado nas LANs Ethernet consiste em quatro pares de fios coloridos codificados que foram trançados juntos e envolvidos em um revestimento de plástico flexível. Conforme exibido na figura, o código das cores identifica os pares individuais e os fios nos pares e ajudam na conexão do cabo. 
O trançado dos fios visa cancelar os sinais não desejados. Quando dois fios de um circuito elétrico são colocados juntos, oscampos eletromagnéticos externos criam a mesma interferência em cada fio. Os pares são trançados para manter os fios fisicamente o mais próximo possível. Quando essa interferência comum estiver presente nos fios dos pares trançados, ela será eliminada. Como resultado, os sinais gerados por interferência eletromagnética de fontes externas serão cancelados efetivamente. 
Esse efeito de cancelamento também ajudará a evitar interferências de fontes internas chamadas diafonia (linha cruzada). A diafonia ou linha cruzada é a interferência provocada pelo campo eletromagnético ao redor dos pares adjacentes dos fios do cabo. Quando uma corrente elétrica passa pelo fio, ela cria um campo magnético circular ao redor do fio. Com o fluxo em direções opostas nos dois fios do par, os campos magnéticos - iguais, mas de sentidos opostos - têm efeito de cancelamento um no outro. Além disso, os diferentes pares de fios no cabo utilizam um número diferente de trançado por metro para ajudar a proteger o cabo de diafonia entre os pares.
Padrões de Cabeamento UTP
O cabeamento UTP mais encontrado nos locais de trabalho, escolas e casas está de acordo com os padrões estabelecidos em conjunto pela Telecommunications Industry Association (TIA) e pela Electronics Industries Alliance (EIA). O TIA/EIA-568A estabelece os padrões de cabeamento comercial para instalações LAN e é o padrão mais utilizado nos ambientes de cabeamento LAN. Alguns dos elementos definidos são: 
Tipos de cabo
- Comprimento do cabo
- Conectores
- Conexão do cabo
- Métodos de teste de cabo
As características elétricas do cabeamento de cobre são definidas pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). O IEEE avalia o cabeamento UTP de acordo com o desempenho. Os cabos são colocados em categorias de acordo com a capacidade de transportar taxas mais elevadas de largura de banda. Por exemplo, o cabo Category 5 (Cat5) é mais utilizado nas instalações 100BASE-TX FastEthernet. Outras categorias incluem o cabo Enhanced Category 5 (Cat5e) e Category 6 (Cat6). 
Os cabos de categorias mais elevadas são desenvolvidos e construídos para suportar taxas de dados mais elevadas. Conforme as novas tecnologias Ethernet de velocidade Gigabit são desenvolvidas e adotadas, o Cat5e é, hoje em dia, o requisito mais básico de tipo de cabo aceito, sendo que o Cat6 é o tipo recomendado para novas instalações em prédios. 
Algumas pessoas se conectam à rede de dados utilizando sistemas de telefonia existentes. Geralmente, o cabeamento nesses sistemas é do tipo UTP, que são uma versão mais antiga em relação aos atuais padrões Cat5+.
A instalação de um cabeamento de custo menor, mas com uma capacidade mais baixa é um desperdício e uma perda de tempo. Se for decidido mais tarde adotar uma tecnologia LAN mais rápida, será necessário substituir toda a infra-estrutura de cabos instalados.
Tipos de Cabo UTP
O cabeamento UTP, com conectores RJ-45, é um meio de cobre usado para interconectar dispositivos de rede, como computadores, com dispositivos intermediários, como roteadores e switches.
Situações diversas podem exigir que os cabos UTP sejam conectados de acordo com diferentes padrões de conexão de fios. Isso significa que os fios do cabo precisam ser conectados em uma ordem diferente para conjuntos diferentes de pinos nos conectores RJ-45. A seguir estão os principais tipos de cabo obtidos pelo uso de padrões específicos de conexão de fios:
- Cabo Direto (Ethernet)
- Cabo Cruzado ou Crossover (Ethernet)
- Cabo Rollover ou de Console
A figura mostra a aplicação típica desses cabos e também uma comparação entre os três tipos.
O uso incorreto de um cabo crossover ou direto entre dois dispositivos não os danificará, mas a conectividade e a comunicação entre os dispositivos não será realizada. Esse erro é comum em laboratório e verificar se as conexões do dispositivo estão corretas deve ser a primeira ação a ser realizada se a conectividade não for estabelecida.
Outros Cabos de Cobre
Outros dois tipos de cabo de cobre são utilizados: 
1. Coaxial
2. Pares Trançados Blindados ou Shielded Twisted-Pair (STP)
Cabo Coaxial
O cabo coaxial consiste em um condutor de cobre envolvido por uma camada de isolamento flexível, conforme exibido na figura.
Sobre esse material de isolamento há uma malha de fios de cobre que atua como o segundo fio do circuito e como uma proteção para o condutor interno. Essa segunda camada, ou proteção, também reduz a quantidade de interferência eletromagnética externa. Sobre esta proteção está o revestimento do cabo. 
Todos os elementos do cabo coaxial cercam o condutor central. Por eles compartilharem o mesmo eixo, essa construção é chamada de coaxial, ou coax, abreviando.
Utilização do Cabo Coaxial
O projeto do cabo coaxial foi adaptado devido a diferentes propósitos. O coaxial é um tipo de cabo importante utilizado pelas tecnologias de acesso sem fio e a cabo. Os cabos coaxiais são utilizados para ligar antenas aos dispositivos sem fio. O cabo coaxial transporta a energia de radiofrequência (RF) entre as antenas e o equipamento de rádio. 
O coaxial também é o meio físico mais utilizado para transportar sinais de alta frequência por fio, especialmente sinais de TV a cabo. A TV a cabo tradicional, transmitida de forma exclusiva em uma direção, foi completamente formada por cabo coaxial.
Antigamente, o cabo coaxial era utilizado nas instalações Ethernet. Hoje, o UTP oferece custos menores e maior largura de banda do que o coaxial, e o substituiu como padrão nas instalações Ethernet.
Há tipos diferentes de conectores utilizados com o cabo coaxial. A figura mostra alguns desses tipos de conectores.
Cabo de Par Trançado Blindado (STP)
Outro tipo de cabeamento utilizado na rede é o par trançado blindado (STP). Conforme exibido na figura, o STP utiliza dois pares de fios totalmente envolvidos por uma fita ou uma lâmina metálica.
O cabo STP protege todos os fios dentro do cabo como também os pares individuais de fios. O STP fornece uma proteção melhor do que o cabeamento UTP. No entanto, o custo é muito maior. 
Durante muitos anos, o STP foi a estrutura de cabeamento especificada para ser utilizada nas instalações de rede Token Ring. Com a diminuição do uso da Token Ring, a demanda pelo cabeamento de par trançado blindado também caiu. O novo padrão de 10 GB Ethernet permite o uso de cabeamento STP. Isso permite a renovação do interesse no cabeamento de par trançado blindado.
Meio Físico de Fibra
O cabeamento de fibra óptica utiliza vidro ou fibras de plástico para orientar os pulsos de luz da origem ao destino. Os bits são codificados na fibra como pulsos de luz. O cabeamento de fibra óptica suporta amplas taxas de largura de banda. A maioria dos padrões de transmissão atual já se aproxima do potencial de largura de banda desse meio físico.
Fibra Comparada ao Cabeamento de Cobre
Considerando que as fibras utilizadas no meio físico não são condutores elétricos, o meio físico estará imune à interferência eletromagnética e não conduzirá correntes elétricas indesejadas. Pelo fato das fibras ópticas serem finas e terem relativamente uma perda de sinal menor, elas podem operar em distâncias muito maiores do que o meio físico de cobre, sem a necessidade de repetição do sinal. Alguns padrões de fibra óptica permitem distâncias que podem chegar a quilômetros.
A implementação do meio físico de fibra óptica inclui:
- Mais gasto (em geral) do que o meio físico de cobre pela mesma distância (porém, por mais capacidade)
- Diferentes habilidades e equipamentos exigidos para conectar a infra-estrutura dos cabos
- Mais cuidado na manipulação do que o meio físico de cobre
No momento, em ambientes empresariais, a fibra óptica é usada principalmente como o cabeamento de backbone para conexões ponto-a-ponto para muito tráfego entre as instalações de distribuição de dados e ainterconexão dos prédios em campus com várias instalações. Pelo fato da fibra óptica não conduzir eletricidade e ter pouca perda de sinal, ela é adequada para essas utilidades.
Gerando e Detectando o Sinal Óptico
Tanto os lasers como os diodos emissores de luz (LEDs) geram os pulsos de luz utilizados para representar os dados transmitidos como bits no meio físico. O dispositivo eletrônico semi-condutor chamado fotodiodo detecta os pulsos de luz e os convertem em voltagens que podem ser reconstruídas em quadros de dados. 
Observação: A luz do laser transmitida pelo cabeamento de fibra óptica pode causar danos ao olho humano. Deve-se tomar cuidado evitando olhar na ponta de uma fibra óptica ativa.
Fibras Monomodo e Multimodo
Os cabos de fibra óptica podem ser geralmente classificados em dois tipos: Monomodo e Multimodo.
Monomodo a fibra óptica transporta um único raio de luz, geralmente emitido a partir de um laser. Pelo fato da luz do laser ser unidirecional e viajar para o centro da fibra, esse tipo de fibra pode transmitir pulsos ópticos por longas distâncias.
Multimodo a fibra usa, em geral, os emissores de LED que não podem criar uma única onda de luz consistente. De forma contrária, a luz do LED entra na fibra multimodo em ângulos diferentes. Pelo fato da luz entrar na fibra em diferentes ângulos e levar tempos diferentes para chegar até a fibra, a utilização de uma fibra mais longa pode resultar em pulsos sem foco no recebimento final. Esse efeito, conhecido como dispersão modal, limita o comprimento dos segmentos da fibra multimodo.
A fibra multimodo e o LED como fonte de luz utilizada têm menor custo em comparação à fibra monomodo com a tecnologia de emissão a laser.
Camada Física da Ethernet
A Ethernet é abrangida pelos padrões IEEE 802.3. Quatro taxas de transferência estão atualmente definidas para operação sobre fibra óptica e cabos de par trançado: 
- 10 Mbps - 10Base-T Ethernet 
- 100 Mbps - Fast Ethernet 
- 1000 Mbps - Gigabit Ethernet 
- 10 Gbps - 10 Gigabit Ethernet
6.1) Ethernet 10 e 100 Mbps:
As principais implementações Ethernet de 10 Mbps incluem:
- 10BASE5 usando cabo coaxial Thicknet
- 10BASE2 usando cabo coaxial Thicknet
- 10BASE-T usando cabo de par trançado não blindado Cat3/Cat5
As mais recentes implementações Ethernet, 10BASE5 e 10BASE2 usaram cabo coaxial em um barramento físico. Essas implementações não são mais usadas e não são suportadas pelos novos padrões 802.3. 
10 Mbps Ethernet - 10BASE-T 
O 10BASE-T usa codificação Manchester em dois cabos de par trançado não blindados. As implementações 10BASE-T recentes usaram cabeamento Cat3. No entanto, cabeamento Cat5 ou mais avançado é mais utilizado hoje em dia. 
A Ethernet 10Mbps é considerada a Ethernet clássica e usa uma topologia de estrela física. Os links da Ethernet 10BASE-T podem ser de até 100 metros de extensão antes de exigir um hub ou repetidor.
O 10BASE-T usa dois pares de um cabo de quatro pares e termina em cada extremidade com um conector RJ-45 de 8 pinos. O par conectado aos pinos 1 e 2 é usado para transmitir e o par conectado aos pinos 3 e 6 é usado para recepção. A figura mostra a configuração de pinos do RJ45 usado na Ethernet 10BASE-T.
O 10BASE-T não é geralmente escolhido para novas instalações LAN. No entanto, ainda há muitas redes Ethernet 10BASE-T existentes hoje. A substituição de hubs por switches nas redes 10BASE-T aumentou muito a taxa de transferência disponível a essas redes e deu ao Legado Ethernet mais longevidade. Os links 10BASE-T conectados a um switch podem suportar operação half-duplex ou full-duplex.
100 Mbps - Fast Ethernet 
Em meados da década de 90, vários padrões 802.3 foram estabelecidos para descrever os métodos para transmissão de dados sobre o meio físico Ethernet a 100 Mbps. Esses padrões usavam exigências diferentes de codificação para o alcance dessas taxas de transferência maiores.
A Ethernet 100 Mbps, também conhecida como Fast Ethernet, foi implementada ao se usar cabo de cobre de par trançado ou fibra. As implementações mais populares da Ethernet 100 Mbps são:
- 100BASE-TX usando UTP Cat5 ou mais recente
- 100BASE-FX usando cabo de fibra óptica
Pelo fato de que os sinais de maior frequência usados na Fast Ethernet são mais suscetíveis a ruído, dois passos de codificação separados são usados pela Ethernet 100-Mbps para aprimorar a integridade do sinal.
A) 100BASE-TX 
O 100BASE-TX foi elaborado para suportar transmissão sobre dois pares de fio de cobre de Categoria 5 UTP ou dois cabos de fibra óptica. A implementação 100BASE-TX usa os mesmos dois pares e pinouts UTP que o 10BASE-T. No entanto, o 100BASE-TX exige a Categoria 5 ou mais recente de UTP. A codificação 4B/5B é usada para a Ethernet 100BASE-T.
Assim como o 10BASE-TX, o 100Base-TX é conectado como uma estrela física. A figura mostra um exemplo de uma topologia de estrela física. No entanto, diferentemente do 10BASE-T, as redes do 100BASE-TX usam normalmente um switch no centro da estrela ao invés de um hub. Mais ou menos ao mesmo tempo em que as tecnologias 100BASE-TX se tornaram a tendência, os switches LAN também estavam sendo bastante empregados. Esse desenvolvimento concorrente levou a sua combinação natural na elaboração das redes 100BASE-TX.
B) 100BASE-FX 
O padrão 100BASE-FX usa o mesmo procedimento de sinalização que o 100BASE-TX, mas sobre um meio físico de fibra óptica em vez de cobre UTP. Embora os procedimentos de codificação, decodificação e recuperação de clock sejam os mesmos para ambos os meios físicos, a transmissão de sinal é diferente – pulsos elétricos em cobre e pulsos de luz em fibra óptica. O 100BASE-FX usa Conectores de Interface de Fibra a Baixo Custo (comumente chamados de conector SC duplex). 
Implementações de fibra são conexões ponto-a-ponto, ou seja, elas são usadas para interconectar dois dispositivos. Essas conexões podem ser entre dois computadores, entre um computador e um switch ou entre dois switches.
6.2) 1000 Mbps - Gigabit Ethernet 
O desenvolvimento de padrões Gigabit Ethernet resultou em especificações para cabos de cobre UTP, fibra de monomodo e fibra multimodo. Nas redes Gigabit Ethernet, os bits ocorrem em uma fração de tempo que eles levam nas redes de 100 Mbps e de 10 Mbps. Com os sinais ocorrendo em menos tempo, os bits se tornam mais suscetíveis a ruído e, portanto, o timing é crucial. A questão de desempenho é baseada no quão rápido o adaptador de rede ou interface pode mudar os níveis de voltagem e o quão bem a mudança de voltagem pode ser detectada de maneira confiável a uma distância de 100 metros, na NIC ou interface do receptor. 
Nessas velocidades mais rápidas, dados de codificação e decodificação são mais complexos. A Gigabit Ethernet usa dois passos de codificação separados. A transmissão de dados é mais eficiente quando os códigos são usados para representar o fluxo de bits binário. Codificar os dados permite sincronização, uso eficiente de largura de banda e características de reção sinal-ruído aprimoradas.
Ethernet 1000BASE-T
A Ethernet 1000BASE-T fornece transmissão full-duplex usando todos os quatro pares do cabo Categoria 5 UTP ou mais recente. A Gigabit Ethernet sobre fio de cobre permite um aumento de 100 Mbps a 125 Mbps por par de fios, ou 500 Mbps para os quatro pares. Cada par de fios transmite sinal em full duplex, dobrando os 500 Mbps para 1000 Mbps. 
O 1000BASE-T permite a transmissão e recepção de dados em ambas as direções – no mesmo fio e ao mesmo tempo. Esse fluxo de tráfego cria colisões permanentes nos pares de fios. Essas colisões resultam em padrões de voltagem complexos. Os circuitos híbridos detectando os sinais usam técnicas sofisticadas, tais como cancelamento de eco, Correção de Erro Posterior (FEC) da Camada 1 e seleção prudente de níveis de voltagem. Usando essas técnicas, o sistema atingeuma produtividade de 1-Gigabit.
Ethernet 1000BASE-SX e 1000BASE-LX Usando Fibra Óptica
As versões de fibra da Gigabit Ethernet - 1000BASE-SX e 1000BASE-LX – oferecem as seguintes vantagens em relação ao UTP: imunidade a ruído, volume físico pequeno, maiores distâncias sem a necessidade de repetição, e largura de banda. 
Todas as versões do 1000BASE-SX e do 1000BASE-LX suportam transmissão binária full-duplex a 1250 Mbps sobre dois cabos de fibra óptica. Devido a complexidade da codificação dos dados e por causa do overhead que esta codificação causa, a taxa de transferência de dados ainda é de 1000 Mbps.
As principais diferenças entre as versões de fibra do 1000BASE-SX e do 1000BASE-LX são o meio físico do link, os conectores e o comprimento de onda do sinal óptico.
6.3) Ethernet – Futuras Opções
O padrão IEEE 802.3ae foi adaptado para incluir transmissão de 10 Gbps, full-duplex sobre cabo de fibra óptica. O padrão 802.3ae e o 802.3 para a Ethernet original são muito similares. A Ethernet 10-Gigabit (10GbE) está evoluindo para utilização não somente em LANs, mas também em WANs e MANs.
Pelo fato de que o formato do quadro e outras especificações Ethernet Camada 2 serem compatíveis com padrões anteriores, o 10GbE pode fornecer largura de banda a redes individuais que sejam interoperáveis com a infra-estrutura de rede existente 
O 10Gbps pode ser comparado a outras variedades Ethernet nas seguintes formas:
- O formato do quadro é o mesmo, permitindo interoperabilidade entre todas as variedades, fast, gigabit e 10 gigabit Ethernet, sem necessidade de conversões de reframing ou protocolo. 
- O tempo de bit é agora de 0,1 ns. Todas as outras variáveis de tempo se adaptam de acordo. 
- Pelo fato de que somente conexões de fibra full-duplex são usadas, não existe contenção de meio físico e o CSMA/CD não é necessário. 
- As sub-camadas IEEE 802.3 dentro das Camadas 1 e 2 do modelo OSI são preservadas em sua maioria, com poucas adições para acomodar 40 km de links e interoperabilidade com outras tecnologias de fibra. 
Com a Ethernet 10Gbps, as redes Ethernet ponto-a-ponto de custo relativamente baixo, confiáveis, eficientes e flexíveis tornam-se possíveis.
Futuras Velocidades Ethernet
Embora o 1-Gigabit Ethernet esteja disponível e os produtos do 10-Gigabit estejam se tornando mais disponíveis, o IEEE e o 10-Gigabit Ethernet Alliance estão trabalhando em padrões de 40-, 100- ou mesmo 160-Gbps. As tecnologias adotadas dependerão de vários fatores, incluindo as taxas de maturação das tecnologias e padrões, a frequência de adoção no mercado e o custo de produtos emergentes.