Tema 2 Conceito e classificação das redes de computadores

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CURSO CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
DISCIPLINA: FUNDAMENTOS DE REDES DE COMPUTADORES
TEMA: Conceito e classificação das redes de computadores
TEXTO PARA APOIO AO ESTUDO
1. Rede de Comunicação
Uma Rede de Comunicações ou sistema de comunicações é o conjunto formado por dois ou mais componentes (pessoas, computadores, roteadores, telefones, impressoras, etc), com o propósito de realizar a transmissão de informações entre as estações terminais que fazem parte do conjunto. O tipo de serviço que a rede irá prestar define seu nome, por exemplo, uma rede de telefonia para tráfego de voz, uma rede de computadores para troca a comunicação de dados, entre outros casos.
Uma rede de computadores é um conjunto de dispositivos interconectados com a finalidade de trocar informações e compartilhar recursos. No passado, uma rede era formada por dispositivos tradicionais, como os computadores de grande porte e os computadores pessoais. Hoje, o termo computador tem um significado mais amplo, incluindo dispositivos como impressoras, telefones celulares, televisões ou qualquer dispositivo que tenha a capacidade de processamento de dados. No caso da Internet, a rede é formada por um conjunto de dispositivos chamados hosts. (Maia, 2013)
Existem, basicamente, dois motivos para o surgimento e a evolução das redes de computadores. O primeiro é a necessidade de troca e compartilhamento de informações de forma rápida e a baixo custo. Por exemplo, uma instituição de ensino pode disponibilizar em seu site na Internet as notas dos alunos, informações sobre disciplinas e matrícula, oferecer cursos a distância e criar comunidades integrando alunos e professores. Uma empresa pode colocar em seu site informações que podem ser compartilhadas com seus funcionários, parceiros, acionistas e clientes em geral. Por exemplo, um banco pode utilizar a Internet para permitir que seus clientes realizem transações eletrônicas como consultas de saldo, aplicações financeiras, transferência de valores e pagamento de contas. O comércio eletrônico permite que as empresas divulguem e vendam seus produtos na Internet independentemente da localização do cliente e da hora da compra. Os governos também podem utilizar a rede para melhorar seu relacionamento com os cidadãos, como, por exemplo, a entrega do imposto de renda. (Maia, 2013)
O segundo motivo para a crescente necessidade das redes de computadores é o compartilhamento de recursos de hardware e software. Com uma rede, é possível compartilhar recursos como impressoras, conexões a outras redes, espaço em disco e, até mesmo, processadores, gerando economia de recursos e, consequentemente, redução de custos. Por exemplo, uma impressora pode ser compartilhada por vários usuários de diferentes departamentos. Uma instituição de ensino pode compartilhar sua conexão com a Internet entre os diversos alunos, professores e funcionários. Um supercomputador em um centro de pesquisas pode ser utilizado para processar aplicações científicas submetidas por outras instituições através da rede. (Maia, 2013)
1.1. Classificação das redes
As redes podem ser classificadas por diversas formas, dentre elas, pode-se citar:
· Por dispersão geográfica
· Pelo modo de operação
· Pelo serviço oferecido
1.1.1. Dispersão geográfica
As redes de computadores podem ser classificadas conforme a distância física entre os dispositivos que compõem a rede. Geograficamente, as redes podem ser divididas em redes pessoais, redes locais, redes metropolitanas e redes distribuídas (Fig. 1). (Maia, 2013)
Figura 1- Dispersão geográfica (Maia, 2013)
Uma rede pessoal ou PAN (Personal Area Network) interliga dispositivos de uma pessoa como, por exemplo, um desktop, laptop, impressora, smartfone, tablet e TV, permitindo a transferência de arquivos, como fotos, filmes e músicas digitais e sincronização de agenda. Uma PAN permite conexões de poucos metros e, geralmente, utiliza os padrões USB (Universal Serial Bus) e FireWire. (Maia, 2013)
Em uma rede local ou LAN (Local Area Network), os dispositivos estão próximos fisicamente, geralmente cobrindo pequenas distâncias, como, por exemplo, estações em uma mesma sala, os andares de um prédio ou prédios de um campus. Como as distâncias são pequenas, as LAN oferecem taxas de transmissão elevadas, da ordem de Mbps e Gbps, e baixas taxas de erros. Outra característica das redes locais é que a posse dos canais de comunicação e dos dispositivos da rede é da própria instituição. As redes locais são padronizadas internacionalmente pelo IEEE 802, e o melhor exemplo de padrão é o Ethernet, que pode ser encontrado na grande maioria das instituições e até mesmo em residências. As redes Ethernet oferecem grande escalabilidade, baixo custo, e podem alcançar taxas de transmissão de até 10 Gbps. (Maia, 2013)
A necessidade de interligar redes locais dentro de uma mesma cidade provocou o surgimento das redes metropolitanas, ou MAN (Metropolitan Area Network). As MAN oferecem altas taxas de transmissão, baixas taxas de erros, e geralmente os canais de comunicação pertencem a uma empresa de telecomunicações que aluga o serviço ao mercado (Fig. 2). As redes metropolitanas são padronizadas internacionalmente pelo IEEE 802 e ANSI, e os padrões mais conhecidos para a construção de MAN são o DQDB (Distributed Queue Dual Bus) e o FDDI (Fiber Distributed Data Interface). Outro exemplo de rede metropolitana é o sistema utilizado nas TVs a cabo. (Maia, 2013)
Figura 2- Rede Metropolitana (Maia, 2013)
As redes distribuídas ou WAN (Wide Area Network) permitem interligar dispositivos geograficamente distantes, ou seja, sistemas localizados em diferentes cidades, estados ou países. A velocidade de transmissão de uma WAN é, normalmente, da ordem de Kbps ou Mbps, porém é possível chegar a taxas de Gbps. Normalmente, os canais de comunicação utilizados para a interconexão de redes são alugados de alguma empresa de telecomunicações. Geralmente, as redes distribuídas são formadas por redes locais e metropolitanas interconectadas, e não por dispositivos isolados. O melhor exemplo de WAN é a Internet, que congrega redes espalhadas por diversas localidades geograficamente distribuídas (Fig. 3). (Maia, 2013)
Figura 3- Rede distribuída (Maia, 2013)
Um grande problema da classificação de redes utilizando a dispersão geográfica é considerar a distância como parâmetro. Em função da evolução tecnológica, a dispersão geográfica pode ser um diferencial pouco preciso. Por exemplo, as redes locais Ethernet, quando surgiram, permitiam somente pequenas distâncias e utilizavam apenas cabos coaxiais. Com a evolução, as redes locais Ethernet passaram a utilizar cabos de fibra ótica, o que veio a permitir distâncias maiores, semelhantes às redes metropolitanas. (Maia, 2013)
1.1.2. Modo de operação
As redes podem ser classificadas de acordo com o modo de operação das aplicações que são executadas nos sistemas finais, podendo ser cliente-servidor ou par a par (peer to peer). (Maia, 2013)
	No modo cliente-servidor o processamento é organizado em processos distintos, um processo é responsável pela manutenção da informação (Servidor), enquanto que outro é responsável pela obtenção dos dados (Cliente), ou seja, o cliente é o dispositivo que solicita um serviço, enquanto o servidor recebe, processa e responde às solicitações do cliente (Fig. 4). Um servidor pode ser responsável por um ou mais serviços, como, por exemplo, serviços de arquivo e impressão, serviços de comunicação, serviços Web e serviços de banco de dados. Como os servidores concentram todas as solicitações, esses dispositivos devem ter características de hardware e software que permitam oferecer requisitos mínimos de disponibilidade e desempenho, o que influencia no parâmetro custo. O modelo cliente-servidor é largamente utilizado em redes locais em que questões de desempenho e administração centralizada são importantes. (Maia, 2013)
Figura 4 - Modelo Cliente-servidor (Maia, 2013)
O modo par a par ou peer-to-peer(P2P) trata-se de um sistema distribuído de processamento, onde não há servidorese clientes específicos, mas cada estação pode operar como ambos. Os serviços são oferecidos por qualquer dispositivo da rede de maneira igual, não existindo a figura de um servidor especializado. As redes P2P são simples de instalar, e, como não existe a figura do servidor, oferecem baixo custo, enorme escalabilidade e disponibilidade. Por outro lado, as redes peer-to-peer tradicionais oferecem baixo desempenho e administração descentralizada, o que torna o gerenciamento da rede mais difícil. As redes P2P podem ser utilizadas em pequenas redes locais, em que questões de desempenho não são importantes. Atualmente, o modelo peer-to-peer vem sendo utilizado por usuários da Internet para o compartilhamento de arquivos como de música e vídeo. Independentemente do tipo da rede, é possível usufruir os benefícios de ambas as filosofias integrando serviços cliente-servidor e peer-to-peer. (Maia, 2013)
1.1.3. Tipo de serviço
As redes podem oferecer serviços orientados a conexão ou não orientado a conexão. Nas redes orientadas a conexão existe um estabelecimento prévio de uma conexão entre os dispositivos que querem trocar informação, como por exemplo, o sistema de telefonia fixa comutada. Antes que os envolvidos na comunicação possam trocar informações, um deles deve ligar para o outro e somente após o outro atender e o circuito ficar estabelecida.
Nas redes não orientadas a conexão o funcionamento é exatamente o oposto, ou seja, não há necessidade de estabelecimento prévio de um circuito. Os dados são enviados sem que haja uma comunicação prévia entre a origem e destino. O grande exemplo que temos dessa operação é a internet que foi concebida como uma rede não orientada a comunicação.
1.2. Topologias
As topologias definem como os diversos dispositivos pertencentes a uma rede estão conectados, podendo ser avaliados de duas formas:
· Física: avalia a topologia quanto a estrutura física, ou seja, descreve como os componentes da rede estão fisicamente conectados.
· Lógica: Descreve a maneira como a rede transmite as informações de um equipamento para outro, determinando formato e tamanho do bloco de dados e, especialmente, o método de transferência dos bits.
As topologias de rede podem ser classificadas como ponto a ponto ou multiponto. Nas redes ponto a ponto existe uma conexão dedicada ligando dois dispositivos, ou seja, não existe compartilhamento físico do canal de comunicação. As conexões ponto a ponto são, geralmente, utilizadas em redes distribuídas, porém as redes locais atuais também utilizam esse tipo de conexão. A Fig. 5 apresenta exemplos de topologias formadas por conexões ponto a ponto. (Maia, 2013)
Figura 5-Redes Ponto a Ponto (Maia, 2013)
Nas redes multiponto o canal de comunicação é compartilhado por todos os dispositivos. Como o meio é compartilhado, deve existir algum mecanismo que regule o dispositivo que poderá transmitir em determinado instante, de forma a evitar que dois ou mais dispositivos transmitam ao mesmo tempo. As conexões multiponto são utilizadas em redes locais e metropolitanas, especialmente nas redes sem fio. A Fig. 9 apresenta exemplos de topologias formadas por conexões multiponto. (Maia, 2013)
Figura 6-Redes Multiponto
A tabela 1 apresenta as diferentes topologias físicas divididas entre as redes ponto a ponto e ponto multiponto.
Tabela 1 - Topologias de redes
	Ponto a ponto
	Multiponto
	Totalmente ligada
	Barra
	Estrela
	Anel
	Hierárquica
	 
	Distribuída
	 
1.2.1. Topologia em malha
A topologia em malha pode ser subdividida em dois tipos: totalmente conectada e parcialmente conectadas.
Na topologia totalmente conectada, todos os dispositivos estão conectados aos demais através de ligações ponto a ponto, ou seja, em uma rede com N dispositivos teremos N*(N-1)/2 conexões. Essa topologia oferece excelente desempenho, pois todos os dispositivos estão diretamente conectados, além de alta disponibilidade, oferecendo vários caminhos alternativos para se alcançar o mesmo destino. Por exemplo, na Fig. 7, se a conexão que liga A-D não puder ser utilizada, existem várias opções para se alcançar o mesmo destino, como A-E-F-D, A-F-D ou A-B-D. (Maia, 2013). 
As grandes desvantagens dessa topologia são o seu custo de instalação, custo de manutenção e escalabilidade. Por exemplo, como cada dispositivo está conectado a todos os demais, adicionar um novo dispositivo significa criar (N-1) conexões com todos os outros dispositivos já conectados. Por essas questões, a topologia totalmente ligada é pouco utilizada na prática, servindo apenas como referência comparativa. (Maia, 2013)
Figura 7-Topologia totalmente ligada. (Maia, 2013)
Na topologia parcialmente conectada ou distribuída existem alguns caminhos alternativos entre os vários dispositivos da rede, de forma a oferecer maior disponibilidade. Por exemplo, na Fig. 8 o dispositivo A quer se comunicar com o dispositivo E. Existem dois caminhos diferentes possíveis: A-B-D-E e A-B-C-D-E. Caso haja uma falha em um dos caminhos, o outro poderá ser utilizado. (Maia, 2013)
A topologia distribuída oferece boa disponibilidade e escalabilidade, além de uma boa relação custo-desempenho. Essa topologia é largamente utilizada em redes do tipo WAN, como, por exemplo, na Internet. No caso da Internet, o mecanismo de comutação é conhecido como comutação por pacotes, e os dispositivos responsáveis pela tarefa são chamados de roteadores. (Maia, 2013)
Figura 8- Topologia parcialmente conectada ou distribuída. (Maia, 2013) (Maia, 2013)
1.2.2. Topologia em estrela
Na topologia em estrela, todos os dispositivos estão ligados ponto a ponto a um dispositivo central ou concentrador. Quando um dispositivo quer se comunicar com outro dispositivo que não o concentrador, a origem envia a mensagem primeiro para o dispositivo central, que reencaminha a mensagem para o destino. Por exemplo, na Fig. 9 o dispositivo B funciona como um concentrador. Se A deseja comunicar-se com D, o dispositivo A deve primeiro enviar a mensagem para o concentrador, que, por sua vez, envia a mensagem para D. (Maia, 2013)
Figura 9-Topologia em estrela (Maia, 2013)
A grande vantagem dessa topologia é a sua simplicidade e baixo custo. Sua grande desvantagem está na baixa disponibilidade, pois depende integralmente do dispositivo central para o funcionamento da rede. Se o concentrador sofrer qualquer problema, todos os outros dispositivos não poderão se comunicar. Uma solução comum para o problema é adotar dispositivos com alta disponibilidade, que implementem algum esquema de redundância. Outro possível problema é o desempenho. Como todo o fluxo de dados passa pelo concentrador, esse dispositivo pode sofrer com o excesso de tráfego e prejudicar o desempenho da rede. A topologia em estrela é largamente utilizada em redes locais Ethernet, e as estações são ligadas a um hub ou switch que funciona como concentrador (Fig. 10). (Maia, 2013)
Figura 10-Topologia em estrela utilizando hub ou switch. (Maia, 2013)
1.2.3. Topologia em árvore ou hierárquica
A topologia hierárquica, ou em árvore, é bastante semelhante à topologia em estrela, porém existe uma hierarquia organizando os dispositivos. Nessa topologia, um dispositivo para se comunicar com os demais deve passar por um ou mais concentradores intermediários até chegar ao destino. Na Fig. 11, existem três concentradores: H, B e F. Para que o dispositivo A se comunique com G, a mensagem deve obedecer à hierarquia e passar por B-H-F. (Maia, 2013)
Figura 11-Topologia hierárquica ou em árvore. (Maia, 2013)
A grande vantagem dessa topologia é a sua escalabilidade, pois existe a possibilidade de se ampliar a rede apenas adicionando concentradores e criando níveis. Com um número maior de concentradores, é possível distribuir os pontos de falha, aumentando, pelo menos em parte, a disponibilidade da rede. Também é possível obterem-se ganhos de desempenho, pois existem vários concentradores dividindo o tráfego da rede. (Maia, 2013)
As desvantagens são semelhantes às da topologia em estrela, ou seja, caso um concentrador tenha algum problema,todos os dispositivos ligados a ele não poderão se comunicar, além de não terem acesso ao restante da rede. Por exemplo, caso haja um problema com o concentrador F, os dispositivos E e G não poderão comunicar-se entre si e nem com o restante da rede. Se o problema ocorresse com o concentrador H, os dispositivos ligados a B não teriam acesso aos dispositivos ligados a F e vice-versa. O problema com o concentrador H não impede, no entanto, que os dispositivos ligados a B se comuniquem entre si, como também os dispositivos ligados a F. A topologia hierárquica é utilizada em redes locais Ethernet, em que hubs e switches funcionam como concentradores e podem ser organizados de forma a criar uma estrutura em árvore (Fig. 12). (Maia, 2013)
Figura 12-Topologia hierárquica utilizando hub ou switch.(Maia, 2013)
1.2.4. Topologia em barramento (Barra)
Na topologia em barra, os dispositivos são conectados ao mesmo meio de transmissão e todos compartilham o mesmo barramento, tanto para receber como para enviar mensagens (Fig. 13). As vantagens dessa topologia são sua simplicidade e baixo custo, porém a topologia em barra oferece várias desvantagens. Devido à maneira como os dispositivos estão conectados ao canal de comunicação, caso haja algum problema com o meio, por exemplo, um rompimento do cabo, todos os dispositivos da rede ficarão incomunicáveis. Além do problema da disponibilidade, redes em barra possuem um limite máximo de dispositivos que podem ser conectados ao meio, o que restringe sua escalabilidade. Dependendo do número de dispositivos conectados à rede, o barramento pode tornar-se um gargalo, gerando problemas de desempenho. (Maia, 2013)
Figura 13- Topologia em Barra. (Maia, 2013)
Como o canal de comunicação é compartilhado, deve existir algum mecanismo que regule qual o dispositivo poderá transmitir em determinado instante, de forma a evitar que dois ou mais dispositivos transmitam ao mesmo tempo. Esse mecanismo é conhecido como controle de acesso ao meio. As redes Ethernet utilizam o protocolo CSMA/CD para controle de acesso ao meio. Nesse método de controle de acesso, as estações, antes de transmitir, verificam se o meio está livre. Caso o meio esteja disponível, a estação transmite seus dados e as demais aguardam até que o meio fique novamente livre. Como mais de uma estação pode transmitir ao mesmo tempo, é possível que ocorram colisões. Nesse caso, os dados transmitidos serão perdidos e deverão ser transmitidos novamente. (Maia, 2013)
As primeiras redes locais Ethernet, que utilizavam cabo coaxial, foram concebidas com base na topologia em barra. Devido aos problemas citados, atualmente as redes Ethernet utilizam a topologia em estrela ou hierárquica. (Maia, 2013)
1.2.5. Topologia em Anel
Na topologia em anel, os dispositivos compartilham o mesmo canal de comunicação, que tem a forma de um anel (Fig. 14). As vantagens e desvantagens dessa topologia são semelhantes às da topologia em barra. A topologia em anel é utilizada em redes locais, como no padrão Token Ring, e em redes metropolitanas, como no padrão FDDI. (Maia, 2013)
Figura 14-Topologia em anel. (Maia, 2013)
Como o anel é compartilhado por várias estações, é necessário um protocolo de controle de acesso ao meio. O protocolo mais conhecido para esse fim é chamado de passagem de token. Nesse protocolo, o token circula pelo anel e funciona como uma permissão para o acesso ao meio. Quando uma estação deseja transmitir, a estação aguarda até a chegada do token, retira o token do anel e envia os seus dados. Como não há token na rede, nenhuma outra estação poderá transmitir. Posteriormente, um novo token é inserido no anel, permitindo que outras estações façam uso do meio. (Maia, 2013)
1.2.6. Topologias lógicas
As topologias lógicas estão relacionadas com o modo de funcionamento da rede e pode, ou não, ser semelhante a topologia física. Dentre algumas das topologias existentes, pode-se citar:
· Ethernet: Desenvolvido de 1973/1976 na Xerox e posteriormente adotado como padrão para redes locais pela IEEE (802). Utiliza o método de acesso CSMA-CD (Carrier Sense Multiple Access-Colision Detect). Inicialmente empregava topologia em barra (cabo coaxial) e, posteriormente, permitindo conexões em estrela (par trançado) e entre redes locais empregando dispositivos de conectividade (pontes, hubs, switches, etc).
· Token Ring: Desenvolvida pela IBM para suas redes em anel, o método se caracteriza pelo emprego de um bloco de permissão (Token), que circula a rede. Somente o terminal que está com o Token pode transmitir.
· FDDI: Padrão para Redes Locais onde a conexão entre os terminais é realizada por fibra ótica, podendo alcançar taxas de até 100 e 1000 Mbps. Funciona semelhante ao Token Ring (passagem de permissão), com velocidades muito superiores.
AS INFORMAÇÕES CONTIDAS NESTE MATERIAL DE APOIO AO ESTUDO FORAM EXTRAÍDAS DAS SEGUINTES PUBLICAÇÕES:
COMER, D. E. Rede de Computadores e Internet. 6ª Ed. Rio de Janeiro: Bookman, 2016.
MAIA, Luiz P. Arquitetura de Redes de Computadores – 2. ed. – Rio de Janeiro: LTC, 2013