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Principal > Informática > Redes
Como funciona a Ethernet
por Nick Pidgeon - traduzido por HowStuffWorks Brasil
Introdução
O acesso eficiente e confiável à informação é um aspecto
importante do mundo dos negócios. Arquivos e montanhas de papel
foram substituídos por computadores, que armazenam e gerenciam,
eletronicamente, a informação. Um trabalho pode ser realizado
por duas ou mais pessoas que moram em lugares completamente
diferentes. Centenas de trabalhadores de uma empresa podem
revisar simultaneamente uma informação disponível online.
As tecnologias de rede dos
computadores são a cola que une
esses elementos. A Internet
pública permite que os vendedores
de produtos e serviços
disponibilizem informação para
seus parceiros e consumidores. A
rede global de computadores
conhecida como Internet permite
que as pessoas comprem livros,
roupas e até carros. Também é
possível colocar esses itens em
um leilão, quando não são mais
desejados.
Neste artigo, vamos examinar detalhadamente as redes e, em particular, o padrão de rede Ethernet.
Você vai entender como todos esses computadores se conectam.
Por que rede?
Uma rede permite a troca de informações (envio e recebimento) entre computadores. Talvez nós nem
tenhamos idéia da quantidade de vezes que acessamos informações em redes de computador. A
Internet certamente é o maior exemplo de rede de computadores, com milhões de máquinas conectadas
ao redor do mundo, mas as pequenas redes desempenham um papel importante na busca diária de
informações. Muitas bibliotecas públicas substituíram os cartões em papel por terminais de computador.
Assim, é mais fácil e rápido procurar os livros. Os aeroportos têm inúmeras telas que exibem
informações sobre vôos. Muitas lojas têm computadores especializados que controlam transações de
pontos-de-venda. Em cada um desses casos, as redes oferecem diferentes dispositivos em diversas
localidades que acessam uma informação compartilhada.
Antes de conhecer os detalhes de um padrão de rede como a Ethernet precisamos entender alguns
termos básicos e classificações que descrevem e diferenciam as diferentes tecnologias de rede.
Vamos começar!
Rede local x rede de longa distância
As tecnologias de rede podem ser divididas em dois grupos básicos:
Rede local, na qual as tecnologias LAN (Local Area Network) conectam muitos dispositivos
que estão relativamente próximos, geralmente no mesmo prédio. Os terminais de uma livraria
que exibem informações sobre um livro estão conectados a uma rede local.
Rede de longa distância, na qual as tecnologias WAN (Wide Area Network) conectam um
número menor de dispositivos que podem estar separados por muitos quilômetros. Por
exemplo, se duas livrarias situadas em bairros diferentes quiserem compartilhar a informação
de seu catálogo de livros, elas devem usar uma tecnologia de rede de longa distância.
Pode-se usar uma linha dedicada, alugada da companhia telefônica.
Em comparação às WANs, as LANs são mais rápidas e confiáveis. A tecnologia, porém, se desenvolve
rapidamente, e as diferenças entre WAN e LAN estão cada vez menores. Os cabos de fibra ótica
permitem a conexão de dispositivos LAN separados por quilômetros de distância. Esses cabos também
melhoram a velocidade e a confiabilidade das redes WAN.
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A Ethernet
Em 1973, os pesquisadores Bob Metcalfe e David Boggs, do Xerox Corporation's Palo Alto Research
Center (mais conhecido como PARC), e criaram e testaram a primeira rede Ethernet. Metcalfe tentava
conectar o computador "Alto" da Xerox a uma impressora e acabou desenvolvendo um método físico de
cabeamento que conectava os dispositivos na Ethernet. Ele também criou os padrões de comunicação
em cabos. Desde então, a Ethernet se tornou a tecnologia de redes mais popular do mundo. Muitos dos
problemas da Ethernet são parecidos com os problemas das outras tecnologias de rede. Compreender
o funcionamento da Ethernet dará a você embasamento para entender as redes em geral.
Com o amadurecimento das redes, o padrão Ethernet cresceu para agregar novas tecnologias. Mas os
mecanismos de operação de todas as redes Ethernet atuais se baseiam no sistema original de
Metcalfe. O conceito original de Ethernet é: comunicação compartilhada por um único cabo para todos
os dispositivos da rede. Uma vez que o dispositivo está conectado a esse cabo, ele tem a capacidade
de se comunicar com qualquer outro dispositivo. Isso permite que a rede se expanda para acomodar
novos dispositivos sem ter de modificar os dispositivos antigos.
Informações básicas sobre a Ethernet
A Ethernet é uma tecnologia de rede local. Essas redes normalmente operam num mesmo prédio e
conectam dispositivos próximos. No início podia haver no máximo algumas centenas de metros de
cabos separando dispositivos numa Ethernet, tornando difícil conectar locais muito distantes
geograficamente. Avanços recentes da tecnologia conseguiram aumentar essas distâncias, e as redes
Ethernet atuais podem cobrir dezenas de quilômetros.
Protocolos
Na área de redes, o termo protocolo se refere a um conjunto de regras que regem as comunicações.
Protocolos são a linguagem dos computadores. Seguindo esse raciocínio, dois dispositivos de uma
rede precisam entender o mesmo protocolo para poder se comunicar.
Terminologia da Ethernet
Regras simples regem a operação básica da Ethernet. Para compreender essas regras, é importante
conhecer a terminologia básica da Ethernet.
meio - dispositivos Ethernet se conectam a um meio comum que fornece um caminho para os
sinais eletrônicos. Historicamente, esse meio é um cabo coaxial de cobre, mas hoje se utiliza
cabeamento de par trançado ou fibra ótica.
segmentos - um único meio compartilhado é um segmento Ethernet.
nó - dispositivo que se conecta ao segmento.
frame - os nós se comunicam por meio de mensagens curtas chamadas frames, que são
blocos de informação de tamanho variável.
Pense em um frame como se fosse uma frase na linguagem humana. Em português, obedecemos a
regras para construir as frases. Sabemos que todas as frases devem possuir um sentido completo. O
protocolo Ethernet especifica um conjunto de regras para construir os frames. Existe um comprimento
mínimo e máximo para os frames e um conjunto necessário de trechos de informação que devem
aparecer no frame. Por exemplo, cada frame deve incluir um endereço de destino e um endereço de
envio, que identificam respectivamente o destinatário e o remetente da mensagem. O endereço
identifica um nó único, da mesma forma que um nome identifica uma pessoa - dois dispositivos Ethernet
nunca têm o mesmo endereço.
O meio Ethernet
Como um sinal no meio Ethernet alcança todos os nós conectados, o endereço de destino desempenha
um papel fundamental para identificar o destinatário do frame.
Por exemplo, na figura acima, quando o computador B transmite para a impressora C, os computadores
A e D ainda vão receber e examinar o frame. Entretanto, quando a primeira estação recebe o frame,
ela verifica o endereço de destino para saber se o frame foi endereçado a ela. Se não foi, a estação
descarta o frame sem examinar o conteúdo.
Um aspecto interessante do endereçamento Ethernet é a implementação do endereço broadcast. Um
frame com endereço de destino igual ao endereço broadcast (também chamado simplesmente de
broadcast) é direcionado para cada nó da rede, e cada nó vai receber e processar esse tipo de frame.
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CSMA/CD
A sigla CSMA/CD significa, em inglês, carrier-sense multiple access with collision detection (acesso
múltiplo com detecção de portadora e detecção de colisão) e descreve como o protocolo de Ethernet
regula a comunicação entre os nós de uma rede. A expressão pode intimidar, mas se analisarmos os
conceitos de seus componentes, separadamente, vamos ver que ele descreve regras muito similares
àquelas que as pessoas utilizam em conversações civilizadas. Para ajudar a ilustrar a operação da
Ethernet, vamos usar uma analogia: uma conversação à mesa de jantar.
Nosso segmento Ethernet é a mesa de jantar, e os nós são as pessoas conversando educadamente. A
expressão múltiplo acesso (multiple access) fala sobre o que acabamos de discutir. Quando uma
estação de Ethernet transmite, todas as estações no meio ouvem a transmissão. Da mesma maneira
que quando uma pessoa fala, todo mundo escuta.
Agora vamos imaginar que você esteja à mesa e tenha alguma coisa a dizer. No momento, entretanto,
existe uma pessoa falando. Já que essa é uma conversação educada, em vez de imediatamente falar e
interromper o outro você espera até que ele termine de falar. Na terminologia da Ethernet, esse
processo se chama carrier sense (detecção de portadora). Antes de uma estação começar a
transmitir, ela "ouve" o meio para saber se outra estação está transmitindo. Se o meio estiver em
silêncio, a estação reconhece que esse é o momento apropriado para transmitir.
Detecção de colisão
O acesso de múltiplos dispositivos de rede é uma boa maneira de começarmos a explorar as limitações
da Ethernet, mas existe outro cenário que ainda temos de analisar. Vamos criar uma analogia da mesa
de jantar e imaginar que existe um silêncio momentâneo na conversação. Você e eu temos coisas a
falar e ambos sentimos o "peso do silêncio". Para resolver isso, começamos a falar quase ao mesmo
tempo. Na terminologia da Ethernet, ocorre uma colisão quando os dois tentam falar ao mesmo tempo.
Em nosso caso, podemos resolver a situação de maneira civilizada. Após a percepção de que
estávamos falando ao mesmo tempo, um de nós pára de falar para escutar o outro. Os nós da Ethernet
também escutam o meio enquanto transmitem, para ter certeza de que são a única estação
transmissora naquele momento. Se as estações começam a ouvir sua própria transmissão de forma
distorcida ou misturada com a de outra estação sabem que uma colisão aconteceu. Às vezes, um
segmento de Ethernet é chamado de domínio de colisão porque duas estações no segmento não
podem transmitir ao mesmo tempo sem causar uma colisão. Quando as estações detectam uma
colisão, elas interrompem a transmissão, esperam durante um período aleatório e tentam transmitir
novamente quando detectam silêncio no meio.
A pausa aleatória e a repetição do envio do sinal representam parte importante do protocolo. Se
as duas estações colidem quando estão transmitindo, então ambas terão de transmitir novamente. Na
próxima oportunidade de transmissão, as estações envolvidas na colisão anterior terão dados prontos
para transmitir. Se elas transmitissem novamente na primeira oportunidade, colidiriam de novo. Por isso
existe um tempo de espera aleatório. Assim, dificilmente as duas estações vão continuar colidindo por
muito tempo.
As limitações da Ethernet
Um cabo compartilhado é a base para uma rede Ethernet completa, o que discutimos anteriormente. De
qualquer forma, há limites práticos para o tamanho de nossa rede Ethernet nesse caso. A primeira
preocupação é o comprimento do cabo compartilhado.
Os sinais elétricos se propagam muito rapidamente pelo cabo, mas se tornam mais fracos com a
distância, e a interferência de aparelhos elétricos (como lâmpadas fluorescentes) pode prejudicar
o sinal. Um cabo de rede deve ser curto o suficiente para que os dispositivos em cada ponta recebam o
sinal sem interferências e sem atraso. Esse é o limite da distância máxima que separa dois dispositivos
(também conhecido como diâmetro da rede) em uma rede Ethernet. Além disso, como em CSMA/CD
um dispositivo único só pode transmitir num determinado momento, existem limites práticos para o
número de dispositivos que podem coexistir em uma mesma rede. Se você conectar muitos dispositivos
a um mesmo segmento compartilhado, a contenção do meio aumenta. Cada dispositivo terá de esperar
um longo tempo antes de conseguir transmitir.
Os engenheiros desenvolveram uma série de dispositivos de rede que aliviam esses problemas. Muitos
desses dispositivos não são específicos para a Ethernet, sendo utilizados em outras tecnologias
também.
Repetidores
O primeiro meio popular de Ethernet foi um cabo coaxial de cobre conhecido como "thicknet." O
comprimento máximo desse cabo era de 500 metros. Em grandes prédios ou campus de universidades,
um cabo de 500 metros nem sempre era suficiente. Um repetidor resolve esse problema.
Os repetidores conectam múltiplos segmentos de Ethernet, ouvindo cada segmento e repetindo o sinal
ouvido para todos os outros segmentos conectados. O uso desses aparelhos permite aumentar
significativamente o diâmetro de uma rede.
Segmentação
Em nossa analogia da mesa, havia poucas pessoas à mesa, situação em que ter só uma
pessoa falando de cada vez não chega a provocar problemas de comunicação. Mas o que aconteceria
se fosse muita gente reunida e só um pudesse falar?
Na prática, sabemos que essa analogia gera situações como a que veremos a seguir. Em grandes
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grupos de pessoas, é normal que aconteçam diferentes conversas simultaneamente. Se, em uma sala
lotada somente uma pessoa pudesse falar a qualquer momento, muitas pessoas ficariam frustradas
esperando um momento para falar. Para os humanos, o problema se corrigiria automaticamente: O
alcance da voz humana é limitado e o ouvido consegue focar em uma conversa específica mesmo que
esteja em um ambiente barulhento. Por isso, é comum que existam diversas conversas simultâneas em
uma mesma sala. Isso não acontece com os cabos de rede, já que eles conseguem carregar sinais
rapidamente e de forma eficiente por longas distâncias.
As redes Ethernet enfrentaram problemas de congestionamento ao ficarem maiores. Se há um grande
número de estações conectadas a um mesmo segmento e cada uma gera uma quantidade considerável
de tráfego, muitas estações tentarão transmitir assim que houver uma oportunidade. Nessas
circunstâncias, as colisões se tornariam mais freqüentes e poderiam prejudicar outras transmissões,
que levariam mais tempo para ser concluídas. Um jeito de reduzir os congestionamentos seria dividir
cada segmento em múltiplos segmentos e assim criar múltiplos domínios de colisão. Essa solução
cria um problema diferente, já que esses segmentos separados não conseguem trocar informação uns
com os outros.
Pontes
Para aliviar os problemas da segmentação, as redes Ethernet implementaram as pontes. Elas 
conectam dois ou mais segmentos de rede, e assim aumentam o diâmetro da rede da mesma forma que
os repetidores, mas as pontes também ajudam a regular o tráfego. As pontes podem enviar e receber
transmissões do mesmo jeito que qualquer outro nó, mas elas não funcionam da mesma maneira que um
nó comum. A ponte não gera nenhum tráfego (como os repetidores), apenas ecoa o que ouve das
outras estações. (Essa última afirmação não é 100% precisa: as pontes na verdade criam um frame
especial Ethernet que permite que elas se comuniquem com outras pontes, mas esse assunto não é
analisado neste artigo).
Uma das características do meio compartilhado de acesso múltiplo da Ethernet é que toda estação
conectada recebe qualquer transmissão, mesmo que a transmissão não seja endereçada à estação. As
pontes usam esse recurso para distribuir o tráfego entre os segmentos. Na figura acima, a ponte
conecta os segmentos 1 e 2. Se as estações A e B transmitirem, a ponte também receberáa
transmissão no segmento 1. Como a ponte deveria responder a esse tráfego? Ela poderia transmitir
automaticamente o frame para o segmento 2, como um repetidor. Isso não aliviaria o
congestionamento, já que a rede estaria se comportando como um longo segmento.
Um dos objetivos da ponte é reduzir o tráfego desnecessário nos 2 segmentos. Ela examina o
endereço de destino do frame antes de decidir o que fazer com ele. Se o endereço de destino está
relacionado com a estação A ou B, o frame não precisa aparecer no segmento 2. Nesse caso, a ponte
não faz nada. Na verdade, a ponte filtra ou descarta o frame. Se o endereço de destino é o da estação
C ou D, ou se é um endereço broadcast, a ponte vai transmitir ou encaminhar o frame para o segmento
2. Ao encaminhar os pacotes, a ponte permite que qualquer um dos quatro dispositivos se comunique.
Ao filtrar os pacotes, a ponte permite que a estação A transmita para a estação B ao mesmo tempo em
que a estação C transmite para a estação D; assim, duas conversas acontecem simultaneamente.
Switches são versões modernas das pontes. Eles funcionam de maneira semelhante, mas oferecem um
segmento dedicado para cada nó da rede (mais informações sobre os switches a seguir).
Roteadores: segmentação lógica
As pontes podem reduzir o congestionamento ao permitir múltiplas conversações simultâneas em
segmentos diferentes, mas elas também têm seus limites na segmentação do tráfego.
Uma característica importante das pontes é que elas encaminham endereços broadcast da Ethernet
para todos os segmentos conectados. Isso é necessário, já que os endereços broadcast são
endereçados para todos os nós da rede. O problema é que as redes em ponte podem se tornar muito
grandes. Quando um grande número de estações transmite em broadcast numa rede em ponte, o
congestionamento pode ser imenso. Isso criaria uma situação semelhante a um congestionamento em
um segmento simples.
Os roteadores são componentes avançados de rede que podem dividir uma rede em duas redes
lógicas independentes. Os endereços broadcast da Ethernet cruzam as pontes em busca de cada nó da
rede, mas não atravessam os roteadores, porque os roteadores criam uma barreira lógica para a rede.
Os roteadores operam com protocolos independentes da tecnologia específica da rede, como Ethernet
ou token ring (vamos falar sobre o token ring mais adiante). Isso permite que os roteadores
interconectem várias tecnologias de rede (local ou de longa distância) e foi um dos componentes que
facilitaram a conexão de vários dispositivos em várias partes do mundo para formar a Internet.
Consulte Como funcionam os roteadores para obter informações detalhadas sobre essa tecnologia.
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Ethernet comutada
As redes Ethernet modernas não se parecem em nada com as versões mais antigas. Em redes Ethernet
antigas, as estações eram conectadas por longos cabos coaxiais. Nas redes modernas se usa
cabeamento de par trançado ou fibra ótica para conectar as estações em um padrão radial. Enquanto
as redes antigas transmitiam dados a uma velocidade de 10 megabits por segundo (Mbps), as redes
modernas podem operar a 100 ou até 1.000 Mbps.
Talvez o maior avanço das redes Ethernet atuais seja o uso da Ethernet comutada. As redes
comutadas substituem a mídia compartilhada utilizada pela Ethernet antiga por um segmento dedicado
para cada estação. Esses segmentos se conectam a um switch, que funciona de maneira parecida com
uma ponte Ethernet, mas pode conectar mais segmentos de estações únicas. Alguns switches podem
suportar centenas de segmentos dedicados. Como os únicos dispositivos nos segmentos são o switch
e a estação final, os switches recebem todas as transmissões antes de elas chegarem ao nó seguinte.
O switch então encaminha o frame para o segmento apropriado, do mesmo jeito que uma ponte o faria.
Como cada segmento contém um único nó, o frame só alcança o destinatário desejado. Esse
procedimento permite múltiplas conversações numa rede comutada (consulte Como funcionam
os switches LAN - rede de comunicação local - para aprender mais sobre a tecnologia de switches).
Ethernet full-duplex
A Ethernet comutada gerou outro avanço: a Ethernet full-duplex. Full-duplex é uma expressão de
comunicação de dados que se refere à capacidade de enviar e receber dados ao mesmo tempo.
A Ethernet antiga é half-duplex, ou seja, a informação só pode se mover em uma direção por vez. Numa
rede totalmente comutada, os nós só se comunicam com o switch e não diretamente com outro nó. As
redes comutadas podem utilizar cabeamento de par trançado ou fibra ótica. Ambos utilizam condutores
independentes para enviar e receber dados. Nesse tipo de ambiente, as estações Ethernet podem
esquecer o processo de detecção de colisão e transmitir à vontade, já que elas são os únicos
dispositivos que podem acessar o meio. Isso permite que as estações finais transmitam para o switch
ao mesmo tempo em que o switch transmite para elas. Assim, o ambiente se torna livre de colisões.
Ethernet ou 802.3?
Você já deve ter ouvido o termo 802.3 usado em lugar de ou em conjunto com o termo Ethernet.
"Ethernet" se refere originalmente a uma implementação de rede padronizada pela Digital, Intel e Xerox
- por esse motivo, ela também é conhecida como padrão DIX.
Em fevereiro de 1980, o Institute of Electrical and Electronics Engineers, ou IEEE (se pronuncia "I três
E"), criou um comitê para padronizar as tecnologias de rede. O IEEE batizou esse comitê como grupo de
trabalho 802. O nome foi baseado no ano e no mês de formação do grupo. Subcomitês do grupo de
trabalho 802 pesquisavam separadamente diferentes aspectos das redes. O IEEE definiu cada
subcomitê numerando-o como 802.X, em que X representava um número único para cada subcomitê. O
grupo 802.3 padronizou a operação de rede CSMA/CD que tinha função equivalente à Ethernet DIX.
Ethernet e 802.3 são levemente diferentes em sua terminologia e formato de dados de seus frames,
mas são idênticos na maioria dos aspectos. Hoje, o termo Ethernet se refere genericamente tanto à
implementação DIX Ethernet quanto à padronização IEEE 802.3.
Tecnologias alternativas de redes: token ring
Além da Ethernet, a alternativa mais comum de redes é uma tecnologia desenvolvida pela IBM,
chamada token ring. A Ethernet depende de espaços aleatórios entre as transmissões para regular o
acesso ao meio, ao passo que o token ring implementa um sistema de acesso ordenado e estrito. Uma
rede token ring organiza os nós em um anel lógico, como demonstrado a seguir. Os nós encaminham os
frames em uma direção em volta do anel e removem o frame quando ele dá uma volta completa no anel.
O anel é iniciado criando um token (ou ficha), que é um tipo especial de frame que dá à estação a
permissão para transmitir.
1.
O token circula no anel como qualquer outro frame até encontrar uma estação que queira transmitir2.
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dados.
Essa estação "captura" o token e substitui o frame do token por um frame que carrega dados. Esse
frame circula na rede.
3.
Quando esse frame de dados retorna à estação transmissora, a estação remove o frame de dados,
cria um novo token e encaminha esse token para o próximo nó do anel.
4.
Os nós da rede token ring não buscam um sinal que carrega dados ou colisões. A presença do token
assegura que a estação pode transmitir dados sem que outra estação a interrompa. As estações só
transmitem um único frame de dados antes de passar o token; por isso, cada estação no anel terá uma
chance para transmitir dados de maneira estrita e justa. Geralmente, as redes token ring transmitem
dados numa velocidade de 4 ou 16 Mbps.
O padrão FDDI (Fiber-distributed data interface) é outra tecnologia que utiliza tokens e que opera em um
par de anéis de fibra ótica. Cada anel passa um token em direções opostas. As redes FDDI ofereciamvelocidades de transmissão de 100 Mbps. Inicialmente, esse tipo de padrão se tornou muito popular
para as redes de alta velocidade. Com a criação da Ethernet de 100 Mbps, que é mais barata e mais
fácil de se administrar, o padrão FDDI se tornou menos popular.
Tecnologia alternativa: modo de transferência assíncrono
Uma última tecnologia de rede que deve ser mencionada é o modo de transferência assíncrono
(asynchronous transfer mode ou ATM). O ATM fica no limite entre as redes locais e as redes de longa
distância. Esse tipo de rede pode conectar muitos dispositivos diferentes com alta confiabilidade e
velocidade e cobre longas distâncias. As redes ATM são indicadas não só para dados, mas também
para tráfego de voz e vídeo. Esse tipo de rede é bastante versátil e expansível. Essa tecnologia ainda
não ganhou a aceitação esperada, mas é uma tecnologia bastante sólida e confiável.
A popularidade da Ethernet continua aumentando. Com quase 30 anos de aceitação da indústria, o
padrão é bastante conhecido e estudado; por isso, a instalação e a resolução de problemas se tornam
mais fáceis. Outras tecnologias avançaram, mas a Ethernet se torna cada vez mais rápida e funcional.
Para obter mais informações sobre a Ethernet e outras tecnologias de rede, verifique os links na
próxima página.
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