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UniversidadeFederaldeItajubá
InstitutodeEngenhariadeSistemaseTecnologiasda
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3349 redes computadores, Notas de estudo de Informática
Conheça algumas dicas essencial das redes
Tipologia: Notas de estudo
2013
1 / 223
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Apostila de Rede de Computadores
Universidade Federal de Itajubá
Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da
Informação
Grupo de Pesquisas em Engenharia de Sistemas e Computação
Prof. Isaías Lima
Prefácio
Esta apostila dedica-se aos cursos de Redes de Computadores I e II ministrados na
Universidade Federal de Itajubá, cujos capítulos e assuntos tratados nas seções seguem
exatamente o livro texto referenciado no plano de ensino, e que serviu de base para uma
tradução livre.
Portanto, dentro das expectativas de um curso introdutório ou de nível mais avançado,
algumas incorreções são meramente erros de compreensão ou entendimento do autor. Assim,
numa tentativa de apresentar um conteúdo abrangente e necessariamente direto, procurou-se
descrever da melhor forma possível, os termos que por ora são correntes em Rede de
Computadores em geral.
De outra forma, apesar de um nível relativamente satisfatório, uma tradução livre nem
sempre se prende rigorosamente ao conteúdo explícito da obra; cabendo a ressalva de alguns
questionamentos em relação à estrutura das seções, os termos técnicos e as descrições, bem
como ao próprio texto traduzido dos parágrafos e seções.
Fica ainda a necessidade de recorrência ao livro original em inglês, cujo
acompanhamento é recomendado desde o início do curso, e consta das referências bibliográficas
da ementa de Redes de Computadores I e II.
Capítulo 1 - Meios de Transmissão
1.1 Introdução
Pode-se dizer que toda comunicação entre computadores envolve codificação de
informações em uma troca de energia e transferir essa energia através de um meio. Assim, neste
capítulo será discutido o conceito básico da transmissão de dados, examinando os meios de
transmissão que são utilizados em modernos sistemas de redes de computadores.
1.2 Os Fios de Cobre
As redes de computadores tradicionais usam fios como meio principal de conexão entre
computadores, devido ao baixo custo e a facilidade de instalação. Além disso, os fios podem ser
feitos de diferentes metais, e muitas redes utilizam o cobre por ter baixa resistência elétrica, o
que significa que um sinal pode ser enviado a uma distância muito maior.
O tipo de fiação utilizado em redes de computadores é escolhido de maneira que a
interferência seja a mínima possível. A interferência tem origem quando um sinal elétrico é
transmitido em um cabo, e este atua como uma pequena estação de rádio (o fio emite uma
pequena quantidade de energia eletromagnética que se propaga no ar). Essa energia ao encontrar
outro fio, produz uma pequena corrente elétrica. O somatório das correntes geradas depende da
potência das ondas eletromagnéticas e da posição do fio. Normalmente, essa interferência só
passa a ser detectada quando dois fios são colocados lado a lado e em paralelo, assim um sinal
elétrico enviado em um fio, pode gerar um sinal similar em outro. Os computadores não
conseguem distinguir sinais gerados acidentalmente, assim são tomadas algumas iniciativas para
reduzir a interferência.
Na tentativa de minimizar a interferência são usados dois tipos básicos de fiação: o par
trançado e o cabo coaxial. O par trançado também é usado em sistemas de telefonia.
O simples trançar dos cabos altera as propriedades elétricas dos fios, ajudando a torná-lo
adequado ao uso em uma rede. Primeiro, porque limita a energia eletromagnética que o próprio
fio emite. Segundo, porque os torna menos susceptível à energia eletromagnética emitida por
outros fios. A figura a seguir ilustra um fio tipo par trançado.
O fio coaxial apresenta uma maior proteção que o par trançado, em vez de trançar os
fios, é utilizado um anel metálico em volta de um núcleo, um único fio.
Este anel de metal forma um cilindro flexível em volta do fio isolado, o que gera uma
barreira à radiação eletromagnética. Esta barreira protege o fio de duas maneiras, evitando que o
mesmo gere radiação eletromagnética, e evitando que a radiação eletromagnética gerada por
outros fios interfira no mesmo. Sua eficácia se deve ao fato de o anel cercar o fio por todos os
lados. Assim o cabo coaxial pode ser posto em paralelo com outros cabos. A figura abaixo
ilustra o escudo e o cabo coaxial.
A idéia de um escudo para proteger a fiação também foi aplicada ao par trançado. Um
par trançado protegido consiste em um par de fios blindados por uma metálica. Cada fio é
protegido por um material isolante, evitando que um toque no outro. Este tipo adicional de
proteção é utilizado em cabos que estejam perto de equipamentos que tenham campo magnético
ou elétrico intensos.
1.3 Fibras Ópticas
As redes de computadores também utilizam as fibras ópticas para transmitirem dados, o
meio de transporte do dado é a luz. O transmissor em uma ponta do cabo é um LED (light
emitting diode) ou um laser, que envia pulsos de luz; já na recepção de dados é usado um
transistor foto-sensível.
As fibras ópticas têm quatro vantagens em relação aos fios. Primeiro, a luz não produz,
nem sofre interferência elétrica. Segundo, devido a sua fabricação, os feixes de luz podem ser
levados muito mais longe do que um sinal em um fio de cobre. Terceiro, a luz pode codificar
mais informações do que sinais elétricos. Quarto, não necessitam de mais fios para completar
um circuito elétrico, pois apenas um fio de fibra óptica é necessário para interligar dois
computadores.
Porém, essas mesmas fibras têm algumas desvantagens, como a dificuldade de
instalação, pois é necessário um equipamento especial para polir a extremidade do cabo;
permitindo que a luz passe por ele. E, depois, se um cabo de fibra óptica se rompe, é difícil de
difícil localização, além disso, para reparar um fio rompido é necessário também um
equipamento especial para unir as duas fibras.
1.4 Rádio-Freqüência
Além de ser usada na transmissão de radio, televisão e comunicação privada entre walk-
talks, a radiação eletromagnética pode ser usada para transmitir dados. As redes que usam ondas
de radio são feitas para trabalharem em uma determinada radio-freqüência, e as transmissões
são referidas como transmissões RF. Diferente de redes que usam fibra óptica, redes usando
transmissões em RF não necessitam de um meio físico que conecte os computadores. Assim
cada computador é conectado a uma antena, que pode mutuamente transmitir e receber RF.
Fisicamente, as antenas usadas para transmissão de RF podem ser grandes ou pequenas,
dependendo do alcance necessário. Por exemplo, uma antena projetada para transmitir sinais a
muitos quilômetros deve ter uma altura de um pólo metálico com dois metros de altura, que é
montado no topo de um edifício. Já uma antena para permitir comunicação entre dois prédios é
tão pequena que cabe em um computador portátil.
o da Terra, não permanecendo fixos em um determinado ponto do céu. De fato um satélite pode
completar uma órbita inteira em aproximadamente 1,5 horas.
Suas desvantagens é que só pode ser usado durante o tempo que permanece entre duas
estações, e depois para controlar um sistema que está em contínuo movimento, um complexo
sistema de controle na terra é requerido.
1.6 Conjuntos de satélites de órbita baixa
Este esquema de comunicação consiste em permitir comunicação constante através de
satélites em baixa órbita. Ao invés de um satélite ser focado, o esquema exige uma determinada
quantidade de satélites, de modo que um ponto nunca fique sem nenhum satélite sobre ele.
Além de ter equipamentos para fazer a transmissão com as estações terrestres, estes
satélites também têm um equipamento que permite a conexão entre um satélite e outro.
1.7 Microondas
Radiação eletromagnética que tem freqüência além das usadas em radio e televisão
chamada microondas, e também é utilizada para transmitir informações.
Ondas de microondas além de ter a freqüência maior do que as ondas de rádio, também
têm um comportamento diferente. Diferentemente das ondas de radio que são transmitidas em
todas as direções, as microondas podem ser atiradas em uma única direção, dificultando a
intercessão do sinal Porém as microondas não podem penetrar em metais, assim tem
funcionamento melhor em locais limpos, sem a presença de vegetação alta nem edifícios. Como
resultado, as torres de microondas são maiores que qualquer obstáculo e cada transmissor de
microondas está direcionado um para o outro.
1.8 Infravermelho
Os controles remotos utilizados em aparelhos de som e televisão são um exemplo do
uso de infravermelho para comunicação entre dispositivos eletrônicos. Porém ele é limitado a
pequenas distâncias, e usualmente requer que seja apontado diretamente para o receptor.
Infravermelho não é caro comparado a outros dispositivos, além do que não necessita de antena.
Redes de computador podem usar infravermelho para transmissão de dados. É possível,
por exemplo, uma equipa em uma sala enorme com conexões de infravermelho conectarem se
ao mesmo provedor e compartilhar dados. Infravermelho é conveniente para pequenos aparelhos
porque oferece as vantagens das redes sem fio, sem necessidade de antenas.
1.9 Laser
Já foi mencionado que a luz pode ser um meio de comunicação via fibras
Ópticas. Como a comunicação de microondas, o laser consiste em duas localidades com
um transmissor e um receptor. Este equipamento é fixo normalmente em uma torre e o
transmissor de um está mirado no receptor do outro. O transmissor usa um laser para gerar o
feixe de luz, por que um laser se manterá no foco durante a longa distância.
Como a transmissão de microondas, o feixe de laser deve viajar em uma linha reta e não
deve ser bloqueado. Infelizmente o raio laser não consegue ultrapassar vegetação ou condições
climáticas adversas, como fumaça ou neve, assim tem seu uso limitado.
Capítulo 2 – Comunicação Local Assíncrona
2.1 Introdução
Por serem equipamentos digitais, computadores utilizam dígitos binários para
representar os dados. Assim, transmitir dados através de uma rede, de um computador para o
outro, consiste em enviar bits através de um meio de comunicação.
Fisicamente, o meio para se enviar bits é o meio elétrico, ondas de radio ou feixes de
luz. Neste capítulo será explicada uma dessas formas, corrente elétrica, que pode ser usada para
transmitir dados à curta distância.
Além de discutir o básico da comunicação, serão introduzidas duas propriedades
importantes de uma rede, a largura de banda e delay. Ambas podem ser quantizadas.
2.2 A necessidade para comunicação assíncrona
Uma comunicação é considerada assíncrona quando emissor e receptor não precisam se
coordenar antes de dados serem transmitidos. Quando se usa comunicação assíncrona, o emissor
pode esperar arbitrariamente para enviar dados, enquanto o receptor deve aceitá-los a qualquer
momento que estes cheguem. Sistemas assíncronos são utilizados especialmente em
equipamentos como teclado, onde os dados são gerados pelo toque humano.
2.3 Usando a corrente elétrica para enviar dados
O mais simples dos equipamentos eletrônicos utiliza uma pequena corrente para
codificar dados. Para entender como a eletricidade pode codificar dados, imagine um fio que
conecta dois equipamentos eletrônicos. Voltagens negativas são representadas por 1, e voltagens
positivas por 0. Assim para enviar o bit 1, o equipamento emissor seta uma voltagem positiva, e
depois volta para zero volt. Já para se enviar 0, o equipamento fornece uma tensão negativa,
depois volta para o zero volt. A figura abaixo ilustra como a voltagem no fio varia com o tempo
enquanto um aparelho envia uma seqüência de bits.
2.5 Taxa de Envio, Framing, e Erros
Ao invés de especificar o tempo necessário para cada bit, o que é uma pequena fração
de segundo, os sistemas de comunicação especificam o número de bits que podem ser
transferidos em um segundo. Nas conexões RS-232 são operadas comumente as velocidades de
19200 bits por segundo e 33600 bits por segundo.
Tecnicamente, os hardwares são medidos em taxas de envio (baud rate), que são o
número de mudanças no sinal por segundo que o hardware gera. Assim uma taxa de 9600
significa 9600 bits por segundo.
Para tornar o RS-232 um padrão mais geral, os fabricantes usualmente projetam cada
peça do hardware para operar em uma variedade de taxas de envio (baud rate). A “baud rate”
pode ser configurada manualmente ou automaticamente. Se o emissor e receptor não estiverem
configurados na mesma taxa de envio, erros ocorrerão, porque o tempo do receptor não irá
esperar o suficiente para ler cada bit, causando assim uma defasagem. Para detectar erros, um
receptor mede diversas vezes a tensão em cada bit, e compara as medições. Se a voltagem não
for unânime ou o bit de parada não ocorrer no instante esperado, o receptor acusa erro. Esses
erros são chamados erros de framing, pois um caractere é como uma figura que não se encaixa
em tamanho padrão de figuras.
O hardware do RS-232 pode fazer uso dos erros de framing. Em particular um teclado
tem a tecla BREAK, essa tecla não gera nenhum caractere ASCII. Ao invés disso quando o
usuário pressiona a tecla BREAK, o teclado coloca o bit 0 em muito mais tempo que seria
necessário para enviar um único bit. Assim ao ser detectado que a voltagem tenha movido para
o estado de 0 bit, o receptor assume que um caractere esta chegando e fica esperando pelo bit de
parada 1. Se este bit não chega, o receptor reporta um erro, o que pode abortar uma aplicação.
2.6 Comunicação assíncrona Full Duplex
Foi descrito que a corrente elétrica flui por um único cabo, porém todo circuito elétrico
necessita de no mínimo de dois fios – a corrente flui em um e volta no outro. Este segundo fio é
chamado de terra. Assim ao se usar o RS-232 em um par trançado, um fio carrega o sinal e o
outro é o terra. Nos cabos coaxiais o sinal vai pelo cabo do centro, e o escudo é o terra.
Em muitas aplicações do RS-232 os dados devem viajar em duas direções ao mesmo
tempo. Esse tipo de transferência é conhecida como Full Duplex e são distinguidas das
transmissões em única direção, conhecidas como Half Duplex. Para acomodar uma transmissão
Full Duplex em RS-232, serão necessários três fios, uma para os dados enviados, um para os
dados recebidos e o terra que funcionará em ambas as direções. De fato, o RS-232 define um
conector DB-25 e especifica como o hardware ira usar os 25 fios para controlar dados. Por
exemplo, enquanto o receptor esta apto a receber dados, este receptor fornece uma voltagem em
um fio de controle, que o emissor interpreta como livre para enviar. Para reduzir custos, os
hardwares podem ser configurados para que ignorem os fios de controles e assumam que a outra
parte esta funcionando corretamente. A figura abaixo mostra um circuito de três fios.
Como a figura mostra, o fio terra conecta diretamente o terra de um com o do outro. Os
outros dois fios estão cruzados porque o transmissor de um está ligado no receptor do outro.
Para tornar os cabos mais simples, os projetistas decidiram que os computadores e modems
devem usar pinos opostos do conector DB25. O computador transmite no fio 2 e recebe no fio 3,
enquanto o modem transmite no fio 3 e recebe no fio 2.
2.7 Limitações de um Hardware real
Na prática, nenhum equipamento eletrônico consegue produzir uma voltagem exata ou
mudar de uma voltagem para outra instantaneamente. Além do que, nenhum fio conduz
eletricidade perfeitamente – ao passo que a corrente passa no fio, há perdas de energia. Com
resultado, há um pequeno tempo para voltagem subir ou cair, e o sinal recebido não é perfeito.
A figura abaixo ilustra como um bit realmente é e como ele deveria ser.
Como maioria das tecnologias de comunicação, RS-232 reconhece que os hardwares
reais não são perfeitos, assim especifica a proximidade que uma forma emitida deve ser do
padrão, e a tolerância sobre as imperfeições. Por exemplo, a padronização não especifica que o
receptor deve medir a voltagem exatamente no começo de cada bit, apenas recomenda que se
tirem amostras durante o meio do tempo de alocação de cada bit.
2.8 Largura de banda de um Hardware e transmissão de bits
Sabendo que um hardware não consegue mudar tensões instantaneamente, é explicado
uma propriedade fundamental dos sistemas de transmissão, que é relacionada com a velocidade
de bits que podem ser enviados. Cada sistema tem uma largura de banda limitada, que é a taxa
máxima que o hardware pode modificar o sinal. Se o emissor tentar transmitir dados mais
rápido do que a largura de banda, o hardware não conseguirá continuar porque não terá tempo
suficiente para completar uma mudança de tensão antes de o emissor tentar fazer outra. Assim
algumas das mudanças serão perdidas.
A largura de banda é medida em Hertz (Hz). Pode se pensar que a largura de banda é a
oscilação de um sinal que foi enviado através de um hardware.
Na década de 1920 um pesquisador descobriu uma relação fundamental entre largura de
banda de um sistema de comunicação e o máximo número de bits por segundo que podem ser
transferidos. Conhecido como Teorema da Amostragem de Nyquist, a relação provem uma
fronteira teórica para a máxima velocidade que dados podem ser enviados. O teorema mostra
Capítulo 3 – Tecnologia de LANs e Topologias de Rede
3.1 Introdução
Pequenas redes são freqüentemente projetados para permitir que múltiplos
computadores compartilhem recursos como impressoras, arquivos e ate mesmo conexões com a
internet.
A tecnologia de hardware usada para redes locais não consiste em modems e cabos
separados, ao invés disso a tecnologia é projetada para compartilhamento. Eles permitem que
múltiplos computadores e equipamentos, como impressoras, sejam ligados diretamente como
um só. Este capítulo ira descrever os conceitos que dão suporte as tecnologias de uma rede
local, e explica porque as redes locais se tornaram tão populares.
3.2 Conexão direta Ponto a Ponto
Cada canal de comunicação conecta exatamente dois computadores, e só pode ser usado
por esses dois computadores, exclusivamente. Conhecido como rede ponto a ponto, e tem três
propriedades bem proveitosas. A primeira é que cada conexão é instalada independentemente
das outras. Assim o equipamento de suporte não precisa ser o mesmo para todas as conexões.
Segundo porque cada conexão tem conexão exclusiva, ou seja, os computadores decidem
exatamente como enviar os dados pela conexão. Eles podem escolher o formato dos frames, um
mecanismo para detectar erros, e o tamanho máximo de um frame. Por causa de cada conexão é
independente das outras, os detalhes podem ser mudados sem que o administrador da rede
concorde em fazer a mudança. Terceiro, porque apenas dois computadores terem acesso ao
canal, é fácil reforçar a segurança e privacidade.
É claro que conexões ponto a ponto apresentam desvantagens, como há mais de dois
computadores precisando se comunicar. A figura abaixo representa como o aumento de
computadores compromete a conexão ponto a ponto.
Matematicamente, o número de conexões é que é preciso para conectar N computadores
é:
Conexões necessárias = (N
2
- N) /
Na prática, o custo é alto, pois muitas conexões seguem o mesmo caminho no chão,
parede e cabos condutores. Por exemplo, suponha uma empresa com cinco computadores, com
dois em um andar do prédio e outros três computadores em outro andar do prédio. A figura
abaixo ilustra cada computador e suas respectivas conexões, seis conexões passaram entre duas
localizações - em muitos casos essas conexões seguem o mesmo caminho, aumentando custos.
O número de conexões acima passando entre as duas localidades excede o número total
de computadores. Se outro computador é adicionado à localização 1, a situação se torna bem
pior, e o número de conexões totais cresce para 9.
3.3 Canais de Comunicação Compartilhados
A história das redes de computadores mudou drasticamente entre 1960 e 1970, quando
pesquisadores desenvolveram uma forma de comunicação entre computadores chamada de
Local Area Networks (LANs). Planejadas como alternativas para fugir do alto custo das
conexões ponto a ponto, os pesquisadores diferenciaram fundamentalmente das redes a longas
distâncias. Cada LAN consiste em um único meio compartilhado, usualmente um cabo, para os
computadores se atarem. Os computadores têm turnos para usar o meio ao enviar pacotes de
dados.
Muitos projetos de LANs surgiram da pesquisa e esses eliminaram a duplicação de
cabos e custos, trazendo um importe impacto econômico nas redes. Conseqüentemente as LANs
se tornaram populares.
“Redes que permitem múltiplos computadores compartilhar um meio de comunicação
são usados para comunicação local. Conexões ponto a ponto são usadas para redes a longas
distâncias e outros casos especiais.”
Se compartilhar diminui custos, porque as LANs são usadas somente para comunicação
local? Porque os computadores em uma rede precisam coordenar o uso da rede, assim essa
coordenação requer tempo, e a longa distância esse tempo seria maior que o próprio envio de
dados, assim a rede passaria maior parte do tempo coordenando, e não enviando dados. Além do
que, engenheiros descobriram que disponibilizando um canal com grande largura de banda, a
longa distância é muito mais caro do que provendo esse mesmo canal a curta distância.
3.4 Importância das LANs e Localização de Referência