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Fundamentos e Interconexão de Redes de Computadores
Outubro, 2007
Prof. Ricardo Girnis Tombi
Copyright@Ricardo G. Tombi
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Objetivo
	Apresentação e discussão dos fundamentos e aplicações das redes de computadores para que seja possível o entendimento dos seus objetivos, do seu funcionamento e a identificação dos seus principais elementos. 
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Conteúdo
1. Introdução às Redes de Computadores
1.1 Histórico, definição, objetivos, cenário atual, desafios futuros
1.2 Tipos de Redes
		Redes Locais – LAN, Redes metropolitanas – MAN, Redes de longa distância – WAN, Redes 	móveis e redes ópticas
1.3 Apresentação dos elementos de uma Rede (servidores, hubs, switches, roteadores, cabeamento, entre outros)
1.4 Principais Topologias de Rede (anel, estrela, barramento e malha)
1.5 Padronizações
2. Transmissão de Dados
	2.1 Sistemas e Modos de Transmissão
	 2.1.1 Simplex, half-duplex e full-duplex
	2.2 Características da informação e transmissão analógica e digital
	2.3 Modulação
	2.4 Multiplexação (TDM e FDM)
	2.5 Largura de Banda
	2.6 Comutação (circuito, pacote e células)
3. Meios de transmissão
	3.1 Par trançado, cabo coaxial, fibra óptica e radiodifusão (redes sem fio)
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
4. Protocolos de comunicação
	4.1 Definição, objetivos e exemplos de protocolos de rede
5. Arquiteturas de Redes
	5.1 Modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection)
	 5.1.1 Descrição das camadas (física, enlace, rede, aplicação, sessão e apresentação)
	5.2 Arquitetura TCP/IP
	5.3 Comparações entre as arquiteturas
6. Elementos de Rede
	6.1 Definição do funcionamento dos elementos da rede de acordo com as camadas dos modelos estudados
7. Interconexão de Redes
	7.1 Definição, características e objetivos
	7.2 Equipamentos de interconexão
	7.3 Segmentação de redes
	7.4 Roteamento
	 7.3.1 Endereçamento e sub-endereçamento
	 7.3.2 Protocolos de roteamento (distance vector, link state, path vector)
	7.5 Exemplos de redes interconectadas
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
1. Introdução às Redes de Computadores
	- Histórico, cenário atual e desafios futuros;
	
	- Definição, características e objetivos,;
	
	- Tipos de redes;
	- Elementos de uma rede;
	- Topologias de rede.
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Histórico:
Década de 40:
	Grandes computadores – custo elevado e suscetíveis a falhas;
	Surgimento do transistor possibilitado uma revolução na eletrônica e consequentemente o desenvolvimento de computadores menores e mais confiáveis.
Década de 50:
	Grandes sistemas centralizados;
	Sistema de processamento batch;
	Grandes CPDs com mainframes controlados por programas em cartões perfurados ou fitas magnéticas;
	Fila de espera para o processamento dos programas;
	Tarefas científicas e grandes quantidades de cálculos;	
	Surgimento do circuito integrado – CI (técnica de integrar transistores em uma mesma pastilha - chip)
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Década de 60:
	Sistemas centralizados (grandes mainframes) com terminais remotos;
	Sistema de processamento compartilhado (time sharing);
	Início da distribuição do poder computacional;
	Larga evolução dos circuitos integrados e evolução da capacidade de hardware;
	Início do teleprocessamento.
Década de 70 e início de 80:
	Minicomputadores e microcomputadores pessoais (Apple, IBM);
	Devido à evolução da tecnologia dos CIs (circuitos integrados) os microcomputadores (PCs) puderam ser levados aos escritórios e residências;
	Diminuição do custo e aumento da capacidade de processamento (hardware e software);
	Surge o conceito da distribuição de recursos.
1977: Desenvolvimento da primeira rede local de computadores pela Xerox.
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Década de 80:
	Estações de trabalho dedicadas e especializadas;
	Capacidade computacional crescente;
	Início do compartilhamento de dados entre computadores utilizando modems para realizar a conexão entre os mesmos;
	Surgimento do BBS (Bulletin Board Systems): sistema primitivo de troca de mensagens (quadro de avisos) e transferência de arquivos (300bps);
	
Década de 90:
	Modems mais velozes (9.600bps a 56.000bps);
	Compartilhamento de recursos de hw, sw e informação;
	Independência de sistemas;
	Modularidade;
	Popularização das redes de computadres;
	Popularização da Internet (e-mail, www, ftp, etc ...)
	
	
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Internet e ARPA:
DoD (Dept. of Defense) e ARPA (Advanced Research Projects Agency):
	Durante este período (60 a 90) o DoD desenvolveu o conceito de uma rede de comunicação confiável, com caminhos redundantes e descobrimento automático destes caminhos, para fins militares e científicos.
	Projeto: ARPANET
	Este seria o início da Internet como é conhecida nos dias de hoje.
Internet:
	Uma grande rede de computadores que conecta milhões de dispositivos distribuídos pelo mundo como PCs, estações Unix, servidores de aplicações e conteúdo, lap-tops, palm-tops, pagers, celulares, etc.
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Cenário Atual:
	Redes de alta velocidade no ambiente corporativo e doméstico através de redes ópticas, ATM, Sonet/SDH, DSL, cable modem, etc;
	Alta disponibilidade e facilidade de conexão;
	Diminuição dos custos com a evolução das tecnologias;
	Diversidade de aplicações e serviços:
		- Comércio eletrônico, home-banking, VoIP, etc ...
	MPLS;	
	Qualidade de Serviço (QoS);
Desafios Futuros:
	Convergência das redes;
	3-Play (dados, voz e vídeo);
	Padronização;
	Acesso irrestrito.
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Definição:
	Sistema de comunicação de dados interconectando usuários e servidores através de um conjunto de regras (protocolo), possibilitando o compartilhamento de recursos (disco, impressora, etc) e informações (arquivos, dados, etc).
Característica:
	Em uma rede local o usuário deve ter a sensação de que a rede é o seu próprio computador, ou seja, a ordem de grandeza da velocidade de acesso aos recursos da rede será praticamente a mesma entre seu computador e os elementos da rede.
Objetivos: 
	Aumento da produtividade com economia de dinheiro:
		Compartilhar recursos;
		Trocar informações;
		Estabelecer e manter um caminho físico;
		Evitar caminhos/nós com falhas e alcançar o destino correto
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Tipos de Rede:
LAN – Local Area Network
	São as redes locais que permitem a interconexão de equipamentos de comunicação de dados numa pequena região. Elas possibilitam o compartilhamento eficiente de recursos locais como impressoras e arquivos, além de proporcionar troca de mensagens entre os usuários, por exemplo.
	Características:
	Pequena área de cobertura que vão de 100m a 25km;
	Altas taxas de transmissão (ex. 100Mbps);
	Baixas taxas de erro (ex. entre 10-8 a 10-9);
	Normalmente são redes privadas;
	Obs. Importante notar que estas definições de área, velocidade e taxa de erro são dependentes da tecnologia utilizada e podem sofrer variações de acordo com a implementação.
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
MAN – Metropolitan Area Network
	São as redes metropolitanas que permitem a interconexão de equipamentos de comunicação de dados através de regiões maiores que as redes locias.
	Uma MAN é uma rede que abrange toda a área metropolitana como uma cidade ou área suburbana. Uma MAN geralmente
consiste em duas ou mais redes locais em uma mesma área geográfica 
	Características:
	Áreas de coberturas médias (ex. entre cidades)
	Altas taxas de transmissão (ex. 100Mbps);
	Baixas taxas de erro (ex. entre 10-8 a 10-9);
	Normalmente são redes privadas;
	
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
WAN – Wide Area Network
	São as redes de longa distância que permitem a conexão de dispositivos e usuários dentro de uma vasta área geográfica.
	
	Surgiram da necessidade de se compartilhar recursos por uma maior comunidade de usuários geograficamente dispersos.
	
	Com a utilização de WANs torna-se possível que os computadores, impressoras e outros dispositivos em uma rede local compartilhem e sejam compartilhados com locais distantes. As WANs proporcionam comunicações instantâneas através de grandes áreas geográficas.
	Características:
	Grandes áreas de cobertura;
	Baixas taxas de transmissão (ex. dezenas de Kbps – 56Kbps);
	Taxas de erro podem influenciar a transmissão;
	Operadas por grandes operadoras públicas ou privadas e seu acesso é público;
	Altos custos de implantação e manutenção (circuitos para satélite e enlaces de fibras ópticas).
	
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
SAN – Storage Area Network
	Uma SAN é uma rede dedicada de alto desempenho, usada para transportar dados entre servidores e recursos de armazenamento (storage). Por ser uma rede separada e dedicada, ela evita qualquer conflito de tráfegos entre clientes e servidores.
	Características:
	Pequena área de cobertura:
	Conectividade em alta velocidade;
	Rede separada com tráfego exclusivo;
	Alto desempenho devido às caraceterísticas acima e a possibilidade de acesso simultâneo de disk arrays ou tape arrays por dois ou mais servidores em alta velocidade, oferecendo um melhor desempenho do sistema;
	Alta disponibilidade pois normalmente incorporam uma tolerância contra desastres, já que permitem o espelhamento de dados.
	
		
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Redes Móveis:
	Utilizam tecnologia wireless, ou seja, a comunicação é sem fio e é realizada através de radiodifusão.
	Possuem um ponto de acesso que conecta o usuário á rede.
		APs (access points) para redes de dados;
		ERBs (estação rádio base) para celulares.
	
	Características:
	Proporciona mobilidade;
	A segurança de rede é uma questão importante;
	
	Exemplos:
	Redes wireless com access points instalados em hotéis, aeroportos, etc.
	Redes das operadoras móveis
	
	
		
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Redes Ópticas:
	Utilizam a tecnologia de transmissão de luz (led ou laser) através de fibras ópticas.
	
	Características:
	Altas velocidades de transmissão (ex. 40Gbps);
	Utilizada em grandes backbones (nacionais e internacionais);
	Realizada por grandes operadoras de telecom (públicas e privadas);
	Imunidade a ruídos;
	Grandes distâncias (ex. 100Km e travessia intercontinental oceânica com a utilização de amplificadores ópticos ao longo do enlace);
	Utilizada normalmente em WANs e em alguns casos em LANs.
	
	
		
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Elementos de Rede:
	Elementos Físicos:
		Computadores e periféricos;
		Placas de rede;
		Cabos, hubs, conectores, etc.
	Elementos Lógicos:
		Device drivers;
		Protocolos de comunicação;
		Sistemas operacionais de rede;
		Aplicativos.
	
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Elementos Físicos:
Hosts:
	São todos os elementos conectados em uma rede que se utilizam da mesma para compartilhar os recursos disponíveis.
	Ex. PCs, lap-tops, terminais de automação comercial, etc.
Podem ser divididos em clientes e servidores:
	Clientes: elementos que realizam requisições para obter acesso aos recursos da rede como arquivos, banco de dados, impressoras, etc.
	Servidores: elementos que oferecem serviços a outros elementos da rede através do atendimento de solicitações.
	Ex. Servidor web, servidor de e-mail, etc.
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Placa de rede:
	São Interfaces de rede cuja função é adaptar o dispositivo de host ao meio da rede, ou seja, é a interface que torna possível a conexão de um elemento à rede. 
	
	
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
	Também chamadas de NIC (Network Interface Card).
	Cada placa de rede possui um código exclusivo, no mundo inteiro, sendo que não existem duas placas com o mesmo código. Este código é chamado Endereço de Controle de Acesso ao Meio, também conhecido como MAC Address (Media Access Control Address). 
	
	Esse endereço físico é usado para controlar as comunicações de dados do host na rede.
	
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
	O IEEE é o órgão responsável pela padronização do endereço MAC, mais precisamente através do padrão IEEE 802.3.
	O endereço MAC é formado por 48 bits sendo divididos da seguinte forma:
		OUI (Organizational Unique Identifier) são os 24 bits mais significativos 	e identificam o fabricante de forma universal;
		Os 24 bits menos significativos são administrados localmente pelo 	fabricante e identificam o número de série da placa deste fabricante.
	
		
	
24 bits mais significativos
OUI - Id. do fabricante
24 bits menos significativos
Número de série da placa 
Assinalado pelo fabricante
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Transceiver:
	São elementos de adaptação dos meios que têm a função de converter o sinal de um conector para outro distinto.
	Ex. Transceiver óptico que converte sinais elétricos em ópticos para a transmissão em fibras ópticas.
Cabeamento:
	Responsáveis pela transmissão dos dados que trafegam nas redes levando as informações de um dispositivo a outro.
	Ex. cabos de par trançado, coaxiais, UTP, ópticos, etc.
	Serão estudados com profundidade na seção Meios de Transmissão apresentada mais adiante.
Repetidores:
	São dispositivos utilizados para estender as redes além dos limites especificados para o meio utilizado nos segmentos. Eles amplificam e regeneram os sinais.
	
		
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
HUB
	O Hub funciona como um elemento central, que recebe os sinais transmitidos pelas estações e os retransmite para todas as demais. Existem vários modelos de Hubs, que variam em termos de preço, velocidade e número de portas. 
	
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Bridge:
	Também chamadas de pontes, são repetidores inteligentes pois além de estender a rede elas têm a capacidade interpretar a informação e definir se a mesma deve ser enviada para o outro segmento da rede.
Switch:
	Possui a mesma função da ponte porém realiza a segmentação da rede em todas as suas portas, ou seja, cada porta pode ter um dispositivo conectado. Desta forma cada porta tem a habilidade de interpretar a informação que entra na mesma para definir a porta de saída desta informação.
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Roteador:
	Elemento de rede que tem como objetivo principal descobrir os caminhos entre redes conectadas e então encaminhar os dados através do melhor caminho para que os mesmos possam chegar no seu destino final.
	Este “melhor caminho” pode ser definido por vários critérios que serão vistos adiante.
	 
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Topologias de Rede:
	A topologia de uma rede se refere à organização da mesma no que diz respeito à forma com que os enlaces físicos e os nós de rede estão organizados, sendo que os caminhos existentes desta rede
são determinados entre quaisquer pares de elementos conectados a ela.
	A topologia define a estrutura de uma rede e, muitas vezes, vai caracterizar o tipo, a eficiência e a velocidade da mesma.
	Uma parte da definição de topologia é a topologia física, que é o layout efetivo do cabeamento, ou meios físicos. A outra parte é a topologia lógica, que define como os meios físicos são acessados pelos hosts para o envio de dados.
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Topologias físicas:
	Barramento (bus): utiliza um único cabo backbone que é terminado em ambas as extremidades. Todos os hosts são diretamente conectados a este barramento.
	
	
	
	Anel (ring): conecta um host ao próximo e o último host ao primeiro. Isto cria um anel físico utilizando o cabo de transmissão.
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
	Estrela (star): é caracterizada por um determinado número de nós conectados a um ponto central de concentração.
 	
	
	
	
	Estrela estendida (extended star): une estrelas individuais ao conectar os hubs ou switches. Esta topologia pode estender o escopo e a cobertura da rede. 
	
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Fundamentos e Interconexão de Redes
	Malha (mesh): é implementada para prover a maior proteção possível contra interrupções de serviço. Nesta topologia os elementos de rede são conectados de forma que os caminhos ….
	
Topologias lógicas:
	Broadcast: significa que cada host envia seus dados a todos os outros hosts conectados ao meio físico da rede.
	A regra de acesso ao meio é basicamente: o primeiro a chegar é o primeiro a utilizar, porém existem padronizações que determinam como este acesso é feito caso haja mais de uma estação querendo transmitir dados.
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Fundamentos e Interconexão de Redes
	Passagem de token: controla o acesso à rede, passando um token eletrônico seqüencialmente para cada host.
	Quando um host recebe o token, significa que esse host pode enviar dados na rede. Se o host não tiver dados a serem enviados, ele vai passar o token para o próximo host e o processo será repetido.
	Ex. Redes Token Ring e Fiber Distributed Data Interface (FDDI).
Padronizações:
	O acesso aos meios nas topologias lógicas tiveram que ser definidos e padronizados para que este acesso fosse feito de forma organizada.
	
	Estas padronizações são chamadas de método de acesso e são realizadas pelo IEEE através dos projetos IEEE 802.
	
	As redes Ethernet possuem topologia lógica de broadcast e utilizam o método de acesso chamado CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) – Padrão IEEE 802.3
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Fundamentos e Interconexão de Redes
	Este é o método de acesso mais utilizado atualmente e corresponde aproximadamente 90% das redes instaladas.
	Mecanismo:
	1. A estação, desejando transmitir algo, escuta o meio;
	2. Se o meio estiver livre, transmite;
	3. Se estiver ocupado, continua a ouvir até ficar livre e então transmite
	
	Deficiência:
	Ocorrerá a colisão caso duas estações encontram o meio desocupado e tentem transmitir ao mesmo tempo;
	Durante este período o meio fica inutilizado.
	Para tentar evitar longos períodos de colisões:
	A estação continua a escutar o meio enquanto transmite e caso perceba colisão para imediatamente a transmissão, envia sinal de jamming para as outras estações saibam que houve colisão e espera um tempo aleatório para voltar a transmitir.
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Fundamentos e Interconexão de Redes
Este método de acesso é chamado de otimista.
	Vantagem: Rápido e barato se o meio estiver vazio.
	Desvantagem: Podem ocorrer muitos conflitos e perda de tempo para resolvê-los se o meio estiver cheio.
Projetos IEEE 802:
	802.3 – CSMA-CD
	802.4 – Token-bus
	802.5 – Token-ring
	802.6 – DQDB (MANs)
	802.7 – Redes ópticas (consultivo)
	802.8 – Banda larga (consultivo)
	802.9 – ISLAN
	802.10 – Lan Security
	802.11 – Wireless Lan
	802.12 – 100VG anylan
	802.14 – Cable modem
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Fundamentos e Interconexão de Redes
IEEE 802.3:
	Variações na camada física:
	- 10Base2 (Cheapernet): Cabo coaxial fino (50ohms) / 10Mbps / 185m
		
	- 10Base5 (Ethernet): Cabo coaxial grosso (50ohms) / 10Mbps / 500m
	- 10BaseT (Ethernet twisted-pair): Cabos UTP (Unshielded Twisted Pair)- Par trançado não blindado categorias 3, 5, 5e, e outros tecnologicamente mais avançados como cat. 6, etc / 10Mbps / 100m
	- 100BaseTX: Cabos UTP categoria 5 ou STP (Shielded Twisted Pair) / 100Mbps / 100m
	- 1000BaseCX: 1Gbps/cabo STP/25m (utilização em rotas p/ manobras internas, patch panels, etc)
		
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Fundamentos e Interconexão de Redes
	
	- 1000BaseSX: 1Gbps/fibra multimodo/550m
	
	- 1000BaseLX: 1Gbps/fibra monomodo/5000m
	Obs* Para as fibras ópticas, a distância do enlace depende da banda passante e do núcleo da fibra utilizada. 
	
	- 1000BaseTX: 1Gbps/cabo UTP/100m
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