Segredos da arquitetura e topologias de rede

Arquitetura Ethenet

O padrão Ethernet é um dos mais populares e difundidos meios de transmissão de dados utilizados nas redes instaladas e, certamente, é o mais empregado em novos projetos residências, comerciais e industriais. Sua tão grande popularidade deve-se exclusivamente á aceitação do padrão por diversos fabricantes de dispositivo de rede e por ser de baixo custo.

Uma rede Ethernet pode utilizar como meio de comunicação cabos coaxiais, cabos de par trançado ou ainda fibras ópticas. Os cabos coaxiais e o cabo de par trançado utilizam tensões elétricas para representar os bits 0 e 1, enquanto a fibra óptica utiliza luz representá-los. A tabela abaixo apresenta as larguras de banda alcançadas em redes Ethernet.

Larguras de banda disponíveis em redes Ethernet

Segredos da arquitetura e topologias de rede

Em redes Ethernet, é possível transmitir dados sob as topologias em barramento e em estrela, sendo que a estrela necessariamente utiliza um HUB ou SWITCH como concentrador, ao passo que, sob a topologia em barramento, os computadores são interligados uns aos outros diretamente por meio do cabo coaxial. O HUB e o SWITCH são equipamentos que permitem a conexão de dois ou mais dispositivos de uma rede e que serão discutidos.

É característica das redes Ethernet a disputa pela utilização do meio de comunicação entre os diversos computadores. Essa disputa representa um problema quando a rede está conectada por HUBs, os  quais não possuem inteligência no momentos da transmissão. Todo controle de concorrência é feito pelo protocolo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ). Assim, o padrão Ethernet permite que somente um equipamento transmita seus bits por vez. Para entendermos melhor, vamos a um exemplo.

Qualquer máquina que queira transmitir um bit deverá antes analisar o meio de comunicação ( cabo) e, caso não exista nenhuma variação de tensão ( bits transmitidos ) no meio, essa máquina inicia sua transmissão. O protocolo responsável por ouvir o que está sendo transmitido na rede e dar sinal verde para uma placa de rede iniciar a transmissão é o protocolo CSMA/CD. Esse protocolo faz com que qualquer estação que queira transmitir escute o meio de acesso, seja ele cabo metálico, fibra ou frequência difundida sem fio.

Essa operação tem por objetivo detectar se existe alguma transmissão em curso. Caso a resposta seja positiva, a estação deve esperar até que os meios fiquem livres. Mesmo com esse controle, ainda existe uma probabilidade de que duas estações iniciem uma transmissão simultaneamente, causando o que chamamos de colisão. Essa colisão obrigará que ambas as estações retransmitam os seus bits, visto que estão dividindo o mesmo meio de comunicação, e a grande responsável por uma rede Ethernet não ser determinística. Assim, devemos lembrar que o protocolo CSMA/CD ajuda a evitar colisões, mas não garante que elas não acontecerão.

O fluxograma apresentado na figura abaixo, apresenta o caminho básico seguido pelo protocolo CSMA/CD tanto para identificar se o meio de comunicação está ou não livre como para minimizar as colisões. Esse fluxograma envolve tentativas e colisões, pois duas estações podem escutar o meio ao mesmo tempo e iniciar uma transmissão ( isso acontece frequentemente ), existindo então uma colisão e a perda dos bits. Nesse caso, cada computador espera um tempo aleatório ( na casa dos milissegundos), que é diferentes para cada estação, e retransmite seu bits.

Segredos da arquitetura e topologias de rede

Fluxograma do CSMA/CD

A colisão é detectada pelas placas de rede das máquinas por meio do protocolo CSMA/CD. A colisão caracteriza-se por uma variação de tensão maior do que a normalmente utilizada na rede para representar os bits 1 e 0. Ou seja, quando detecta uma tensão que corresponde, por exemplo, ao dobro da variação conhecida, essa placa identifica uma colisão. O computador que identificou a colisão envia uma mensagem a todos os outros computadores da rede, solicitando que parem de transmitir, pois uma colisão foi identificar.

As chances de uma colisão ocorrer depende do tráfego da rede, geralmente proporcional á quantidade de computadores ativos no domínio de colisão. O domínio de colisão corresponde ao compartilhamento do meio de comunicação por todas as máquinas ligadas ao HUB ou interligadas pelo cabo coaxial. É muito importante observar a quantidade de equipamentos ligados ao domínio de colisão, pois quanto mais computadores, maior será a incidência de colisão. O gráfico a seguir apresenta a relação entre a quantidade de computadores no domínio de colisão e a quantidade de colisões que serão geradas, caso a quantidade de máquinas cresça.

Colisões

Segredos da arquitetura e topologias de rede

Figura – Rede entre quantidade de computadores e a quantidade de colisões.

Detectando colisões na rede

As colisões podem ser detectadas de várias maneiras, porém alguns métodos são mais precisos do que outros. Deve-se deixar claro que é responsabilidade da placa de rede detectar colisões. As placas de rede identificam uma colisão por meio da percepção, ou seja, o sinal recebido foi superposto no meio físico ficando sua frequência alterada. É importante estar atento e observar as situações em que uma colisão pode ser confundida. Essa situações referem-se á ocorrência da atenuação ou quando um repetidor ou HUB não trata a colisão.

Atenuação

Atenuação representa uma perda de sinal ao longo do caminho. Se a atenuação for muito elevada, será difícil distinguir entre uma colisão e atividades ruidosas. Por que é difícil distinguir ?  A colisão significa uma tensão desconhecida pelas placas de rede, e essa tensão ficar maior do que o normal recebido.

Caso exista atenuação a tensão pode baixar, e a placa de rede pode receber um sinal que não significa nada, ou seja, a intensidade da tensão elétrica está dentro dos padrões esperados pela placa de rede. Assim, a colisão não será identificada, e os bits recebidos não serão os mesmos que foram enviados.

Esse é um dos motivos pelo qual se devem limitar os efeitos de atenuação. Algumas sugestões podem ser seguidas para que não haja confusão entre uma colisão e um sinal normal, como : manter a distância do cabo dentro dos padrões e instalar os cabos nas condições especificadas pelos manuais especializados.

Repetidor

O comentário anterior deve ser considerados absolutamente verdadeiro, desde que o sinal colidido não atinja um repetidor. Ao atingir um repetidor o sinal é recondicionar, evitando que haja aumento de intensidade. Por isso, os repetidores também devem reconhecer colisões e, no caso de detectá-las, transmitir na sequência um sinal de alerta.

HUB

Se houver HUBs nas sub-redes, a detecção das colisões é mais simples. Como todo o tráfego da sub-rede passa pelo HUB (  que trabalha na topologia estrela ), qualquer detecção indicando atividade simultânea em duas ou mais de suas portas é evidência de colisão. O próprio HUB encarrega-se de enviar um sinal a todas as placas de rede cessem completamente, ou seja, até que todos os dispositivos conectados percebam o que ocorreu.

Segredos da arquitetura e topologias de rede

Interligação de HUBs

Topologias de rede

A topologia de rede descreve o modo como todos os dispositivos estão ligados entre si e a forma como se processa a troca de informação entre eles. essa topologia garante a redução de custos e o aumento da eficiência do sistema por meio da combinação de recursos. A escolha da topologia mais adequada a um determinado sistema é feita por meio da análise dos seus objetivos e de suas necessidades. Por vezes, até são utilizadas várias topologia para se conseguir a melhor eficiência ao melhor preço. A seguir detalharemos as principais topologias de rede disponíveis.

Topologia estrela

A topologia estrela é caracterizada por um elemento central que gerencia o fluxo de dados da rede, estando diretamente conectado (ponto a ponto) a cada dispositivo de rede, por isso a sua designação : ” estrela “. Toda informação enviada de um dispositivo de rede para outro deverá obrigatoriamente passar pelo ponto central  (ou concentrador), tornado o processo muito mais eficaz, já que os dados nessa topologia não deverão, necessariamente, passar por todas as estações. Isso somente será possível, caso esteja sendo utilizado um switch como concentrador.

Uma rede que segue a topologia estrela pode ser classificada como rede com conexão passiva ou conexão ativa. Uma rede na topologia estrela com conexão passiva é similar ás redes que seguem a topologia linear, pois, apesar de ser utilizado um HUB, todas as estações da rede receberão os dados, o que gera colisão.

Topologia estrela utilizado HUB

Nessa configuração, a topologia será fisicamente em estrela, porém logicamente ela continua sendo uma rede de topologia linear. O HUB é um equipamento ativo que repete para todas as suas portas os bits que chegam,assim como ocorre na topologia linear.

Em outras palavras, se o computador 1 enviar um pacote de dados para o computador 2, todas as demais estações conectadas ao HUB receberão esse mesmo pacote e perderão tempo em descartá-lo. Portanto, continua havendo problemas de colisão e disputa para ver qual estação utilizará o meio físico.

Segredos da arquitetura e topologias de rede

Topologia estrela utilizado switch

Nessa configuração, a rede será tanto física quanto logicamente em estrela. Esse equipamento ativo, o swicth, tem a capacidade de analisar o cabeçalho de endereçamento dos frames de dados (endereço MAC), enviando esses dados diretamente ao destino, sem replicá-los desnecessariamente para todas as suas portas. Dessa forma, se o computador 1 enviar um pacote de dados para o computador 2, somente o 2 receberá o pacote de dados. Isso faz com que a rede se torne mais segura e muito mais rápida, pois elimina o problema de colisão. Além disso, duas ou mais transmissões podem ser efetuadas simultaneamente, desde que tenham origem e destino diferentes.

Segredos da arquitetura e topologias de rede

É importante observar que, quando dois computadores tiverem a necessidade de realizar a comunicação com o mesmo destino, o switch automaticamente gerenciará garantido que ambas sejam atendidas.

O endereço MAC é o endereço da placa de rede composto por 6 bytes hexadecimais. Esse endereço tem como objetivo identificar uma placa de rede dentro de uma rede Ethernet. Não devem existir endereço MAC iguais, pois os três primeiros bytes do endereço correspondem ao fabricante, e os três últimos correspondem a um número sequencial de adaptadores produzidos por esse fabricante. Podem existir casos de adaptadores com mesmo endereço MAC, porém são casos relacionados a adaptadores construídos por empresas clandestinas.

Topologia Linear

A topologia linear é simples e fácil de ser implementada. Redes dispostas nessa topologia possuem todos os computadores interligados por meio de um cabo contínuo, de modo que todos os dados enviados para o cabo serão entregues a todos os computadores interligados. Esse tipo de topologia é indicada para redes simples já que um barramento único é limitado em termos de distância, gerenciamento e quantidade de tráfego. A figura abaixo apresenta uma rede LAN com seus equipamentos ligados na topologia linear.

Segredos da arquitetura e topologias de rede

Topologia Linear

 A topologia linear possui algumas vantagens, como fácil manutenção, fácil construção no que tange ao hardware e ainda não necessita de um concentrador (HUB ou Swicth) para que a rede possa funcionar. Em virtude dos investimentos feitos na estrutura do padrão Ethernet para os cabos par trançado (utilizados na topologia estrela), a topologia linear praticamente não faz mais parte de novos projetos de rede. Ou seja, montar uma rede na topologia estrela tem baixo custo e alto desempenho.

 Existem também algumas desvantagens na topologia linear : se a ligação entre um computador qualquer e o barramento se desfizer, todos os outros computadores param de funcionar em rede. Como segundo problema, podemos ter a ocorrência de um mau contato entre um computador e o conector do cabo coaxial. Nesse caso, toda a rede poderá ficar lenta e como não houver ainda a ruptura total do cabo, ficará dificultada a solução do problema por parte dos parte dos responsáveis pela rede. Como terceira situação, temos o caso de uma sobrecarga de tráfego do barramento.

Impedância

A impedância, já citada anteriormente, possui o mesmo significado da palavra resistência e é medida em Ohms. A seguir, comentaremos essa importância e a capacitância, ou seja, uma relação entre fatores de tensão e corrente. A indutância refere-se á capacidade que um condutor tem de induzir tensão em si mesmo; a capacitância, por sua vez, refere-se á capacidade de armazenamento de carga elétrica no condutor que pretende transmitir os bits em forma de tensão elétrica.

Topologia anel

Como o nome indica, uma rede anel é constituída de um circuito lógico fechado e tem como vantagens a ausência de atenuação, já que o sinal transmitido é regenerado cada vez que passa por uma estação. Outra vantagem é que, caso alguns computadores pararem de funcionar, o anel lógico continuará funcionado, pois esse anel redirecionar as tensões elétricas, no caso de parada de funcionamento de algum equipamento.

Definição de segmento

A definição de um segmento de rede depende da topologia empregada. Quando a rede está montada sobre a topologia estrela, um segmento equivalente a uma ligação ponto a ponto, isto é, uma ligação entre uma estação e o HUB ou uma impressora e o Hub. Quando a rede está montada sobre a topologia linear, a definição de segmento muda. As ligações entre máquinas não recebem nomes especiais, trata-se apenas de trecho do barramento, e o barramento inteiro é chamado de segmento.

Rate this post

Leave a Reply

seis + dezesseis =