Introdução a Redes, Notas de estudo de Cultura

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Introdução a Redes de

Computadores

SUMÁRIO

• INTRODUÇÃO ......................................................................................................................................................
• CAPITULO 1 - PRINCÍPIOS DA COMUNICAÇÃO ........................................................................................
• 1.1 - EVOLUÇÃO DOS SISTEMAS DE COMPUTAÇÃO ......................................................................................................
• 1.2 - EVOLUÇÃO DAS ARQUITETURAS.........................................................................................................................
• 1.3 - R 1.3.1 - Redes Locais ( Local Area Networks - LANs) ..........................................................................................8EDES DE COMPUTADORES ................................................................................................................................
  • 1.3.2 - Redes Geograficamente Distribuídas (Wide Area Networks - WANs)......................................................
  • 1.3.3 - Características para implantação de Redes de Computadores..............................................................
• CAPÍTULO 2 - TOPOLOGIAS..........................................................................................................................
• 2.1 - LINHAS DE COMUNICAÇÃO...............................................................................................................................
• 2.2 - REDES GEOGRAFICAMENTE DISTRIBUIDAS
• 2.3 - TOPOLOGIA PARCIALMENTE LIGADA
• 2.4 - REDES LOCAIS METROPOLITANAS
• CAPÍTULO 3 - MEIOS FÍSICOS DE TRANSMISSÃO..................................................................................
• 3.1 - PAR TRANÇADO
• 3.2 - CABO COAXIAL................................................................................................................................................
• 3.4 - FIBRA ÓTICA
• 3.5 - OUTROS MEIOS DE TRANSMISSÃO
• 3.6 - LIGAÇÕES AO MEIO
• CAPÍTULO 4 - ROTEAMENTO E ROTEADORES
• 4.1 - ROTEAMENTO
• 4.2 - ROTEADORES
• CAPÍTULO 5 - REPETIDOR E PONTE...........................................................................................................
• 5.1 - REPETIDOR
• 5.2 - PONTES...........................................................................................................................................................
• CAPÍTULO 6 - SISTEMAS OPERACIONAIS DE REDES
• 6.1 - SISTEMA OPERACIONAIS DE REDES...................................................................................................................
  • 6.1.1 - Redirecionador.......................................................................................................................................
• 6.2 - ARQUITETURAS PEER-TO-PEER E CLIENTE-SERVIDOR
• 6.3 - SERVIDORES
• 6.4 - OS SISTEMAS OPERACIONAIS DE REDES............................................................................................................
  • 6.4.1 - Drives de Placa de Rede.........................................................................................................................
  • 6.4.2 - Drivers de Protocolo
• 6.5 - PROTOCOLOS DE ACESSO AO MEIO...................................................................................................................
• 6.5.1- ACESSO BASEADO EM CONTENÇÃO
  • 6.5.1.1- Aloha
  • 6.5.1.2- CSMA 546.5.1.3 - REC-RING...........................................................................................................................................
• 6.5.2- ACESSO ORDENADO SEM CONTENÇÃO
  • 6.5.2.1- Polling
  • 6.5.2.2-Slot.........................................................................................................................................................
  • 6.5.2.3 - Inserção de Retardo
  • 6.5.2.4 - Passagem de Permissão
  • 6.5.2.5 - Protocolos com Reserva
• 6.5.3 - PROTOCOLOS DE ACESSO EM REDES ÓTICAS
  • 6.5.3.1- Slotted-Aloha/PA
  • 6.5.3.2 -TDMA_C
  • 6.5.3.3- AMTRAC
  • 6.5.3.4- Pipeline.................................................................................................................................................
• 6.5.4- PROTOCOLO DE ACESSO COM PRIORIDADE

1.1 - Evolução dos Sistemas de Computação

Na década de 1950, computadores eram máquinas grandes e complexas, operadas por pessoas altamente especializadas. Usuários enfileiravam-se para submeter suas leitoras de cartões ou fitas magnéticas que eram processados em lote. Não havia nenhuma forma de interação direta entre usuários e máquina.

Avanços na década de 1960 possibilitaram o desenvolvimento dos primeiros terminais interativos, permitindo aos usuários acesso ao computador central através de linhas de comunicação. Usuários passavam a ter então um mecanismo que possibilitava a interação direta com o computador, ao mesmo tempo em que avanços nas técnicas de processamento davam origem a sistemas de tempo compartilhado (time-sharing), permitindo que várias tarefas dos diferentes usuários ocupassem simultaneamente o computador central, através de uma espécie de revezamento no tempo de ocupação do processador.

Mudanças na caracterização dos sistemas de computação ocorreram durante a década de 1970: de um sistemas único centralizado e de grande porte, disponível para todos os usuários de uma determinada organização, partia-se em direção à distribuição do poder computacional. O desenvolvimento de minis e microcomputadores de bom desempenho, com requisitos menos rígidos de temperatura e umidade, permitiu a instalação de considerável poder computacional em várias localizações de uma organização, ao invés da anterior concentração deste poder em uma determinada área.

Embora o custo de hardware de processamento estivesse caindo, o preço dos equipamentos eletromecânicos continuava alto. Mesmo no caso de dados que podiam ser associados a um único sistema de pequeno porte, a economia de escala exigia que grande parte dos dados estivessem associados a um sistema de grande capacidade centralizado. Assim a interconexão entre os vários sistemas para o uso compartilhado de dispositivos periféricos tornou-se importante.

A capacidade de troca de informações também foi uma razão importante para a interconexão. Usuários individuais de sistemas de computação não trabalham isolados e necessitam de alguns dos benefícios oferecidos pôr um sistema centralizado. Entre esses a capacidade de troca de mensagens entre os diversos usuários e a facilidade de acesso a dados e programas de várias fontes quando da preparação de um documento.

Ambientes de trabalho cooperativos se tornaram uma realidade tanto nas empresas como nas universidades, exigindo a interconexão dos equipamentos nessas organizações.

Para tais problemas de performance os pesquisadores a criaram novas arquiteturas que propunham a distribuição e o paralelismo como forma de melhorar desempenho, confiabilidade e modularidade dos sistemas computacionais.

1.2 - Evolução das Arquiteturas

A maioria dos computadores projetados até a década de 1980 teve sua concepção baseada nos modelos original de Von Neumann. A interação perfeito entre o modo como os programas são desenvolvidos e a maneira como são interpretados foi uma das razões para o grande sucesso de tal modelo.

A revolução nos sistemas de computadores começou com os avanços de tecnologia de integração de circuitos, que reduziram em muito os custos das partes de tais sistemas. Várias arquiteturas foram então propostas, dentro das restrições de tecnologia de cada época, tentando contornar as limitações foi modelo de Von Neumann no que diz respeito ao custo, confiabilidade e desempenho.

Dentre as alternativas apresentadas, podemos citar os Sistemas de UCP única com múltiplas Unidades Funcionais, as Máquinas Pipelune e os Processadores de matriz (Array Processors).

de elementos básicos de hardware e software é responsável pelo elevado grau de modularidade do sistema.

Várias são as razões para o uso de sistemas de múltiplos processadores (sejam eles fortemente ou fracamente acoplados):

Custo/desempenho: a evolução da tecnologia de síntese de circuitos integrados tem conduzido os custos de microprocessadores e memórias a valores bem reduzidos; responsividade: um sistema de múltiplos processadores pode apresentar um grande potencial de processamento, pois pode ser moldado à aplicação; modularidade: devemos fazer um sistema de computação modular por várias razões tais é uma relação custo/desempenho satisfatória para vários tipos de configurações, crescimento incremental ou expansibilidade pois um sistema bem projetado pode superar problemas de sobrecarga e/ou abranger uma maior gama de aplicações pelas simples inclusão de processadores; utilização em larga escala um conjunto de componentes básicos para a realização do sistema, mas também sua futura manutenção; concorrência: máquinas destinadas a aplicações que requisitam alto desempenho exigem, em geral a adoção de soluções que envolvem a utilização em larga escala de elementos concorrentes de processamento.

As desvantagens de um sistema de múltiplos processadores podem ou não mascarar as vantagens, de acordo com os requisitos particulares do sistema. Dentre elas podemos citar:

· O desenvolvimento de software aplicativo para tais sistemas pode ser mais complexo, e portanto mais caro do que para sistemas centralizados.

· A decomposição de tarefas é mais complexas quer realizada automaticamente pelo software do sistema ou pelo programador.

· O desenvolvimento do software de diagnóstico é mais difícil e mais caro.

· Um sistema distribuído é mais dependente da tecnologia de comunicação.

· O tempo de serviço de um sistema com múltiplos processadores pode ultrapassar os limites máximos de tolerância se a estrutura de comunicação entre os processadores não suportar a taxa de transmissão de mensagem necessária.

· Uma falha na estrutura de comunicação pode fazer com que os sintomas de um defeito em um processador reflita em outros.

Embora difícil de caracterizar, a arquitetura de múltiplos processadores tem melhor aplicação em sistemas que exigem grande disponibilidade, grandes requisitos de vazão, tempos de resposta garantidos e baixos, alto grau de modularidade, e também onde as tarefas podem ser executadas de modo concorrente.

Um sistema Distribuído vai ser formado por um conjunto de módulos processadores interligados por um sistema de comunicação. Vemos então que a interconexão de sistemas veio atender a duas necessidades distintas:

· Construção de sistemas com maior desempenho e maior confiabilidade

· Compartilhamento de recursos.

Alguns autores consideram como Sistema Distribuído apenas aqueles construídos para atender a primeira necessidade, classificando como Redes de Computadores os sistemas construídos com a finalidade de permitir o compartilhamento de recursos. Outros preferem classificar todos esses sistemas como Sistemas Distribuídos e subclassificá-los em Máquinas de Arquitetura Distribuída e Redes de Computadores.

Uma Máquina de Arquitetura Distribuída é composta por um número ilimitado mas finito de módulos autônomos de processamento interconectados para

levavam em direção à distribuição do poder computacional. Redes locais surgiram para viabilizar a troca e o compartilhamento de informações e dispositivos periféricos( recursos de hardware e software), preservando a independência das várias estações de processamento, e permitindo a integração em ambientes de trabalho cooperativo. Pode-se caracterizar uma rede local com sendo uma rede que permite a interconexão de equipamentos de comunicação de dados numa pequena região que são distâncias entre 100m e 25Km embora as limitações associadas às técnicas utilizadas em redes locais não imponham limites a essas distâncias. Outras características típicas encontradas e comumente associadas a rede locais são : alta taxas de transmissão (de 0,1 a 100Mbps) e baixas taxas de erro (de 10-8^ a 10-11); outra característica é que em geral elas são de propriedade privada.

Quando a distância de ligação entre vários módulos processadores começa a atingir distâncias metropolitanas, chamamos esses sistemas não mais de rede locais, mas de Redes Metropolitanas (Metropolitan Area Networks - MANs).

Uma rede metropolitana apresenta características semelhantes às redes locais, sendo que as MANs em geral, cobrem distâncias maiores que as LANs operando em velocidades maiores.

1.3.2 - Redes Geograficamente Distribuídas (Wide Area Networks - WANs)

Surgiram da necessidade de se compartilhar recursos especializados por uma maior comunidade de usuários geograficamente dispersos. Por terem um custo de comunicação bastante elevado (circuitos para satélites e enlaces de microondas), tais redes são em geral públicas, isto é, o sistema de comunicação, chamado sub-rede de comunicação, é mantido gerenciado e de propriedade pública. Face a várias considerações em relação ao custo, a interligação entre os diversos módulos

processadores em uma tal rede determinará utilização de um arranjo topológico específico e diferente daqueles utilizados em redes locais. Ainda por problemas de custo, as velocidades de transmissão empregadas são baixas: da ordem de algumas dezenas de kilobits/segundo (embora alguns enlaces cheguem hoje a velocidade de megabits/segundo). Por questão de confiabilidade, caminhos alternativos devem ser oferecidos de forma a interligar os diversos módulos.

1.3.3 - Características para implantação de Redes de Computadores

A escolha de um tipo particular de rede para suporte a um dado conjunto de aplicações é uma tarefa difícil. Cada arquitetura possui certas características que afetam sua adequação a uma aplicação em particular. Nenhuma solução pode chamar par si a classificação de ótima quando analisada em contexto geral, e até mesmo em particular. Muitos atributos entram em jogo, o que torna qualquer comparação bastante complexa. Esses atributos dizem respeito ao custo, à confiabilidade, ao tempo de resposta, à velocidade, ao desempenho, à facilidade de desenvolvimento, à modularidade, à disponibilidade, à facilidade, à complexidade lógica, à facilidade de uso, à facilidade de manutenção, e etc..

O custo de uma rede é dividido entre o custo das estações de processamento (microcomputadores, minicomputadores etc.), o custo das interfaces com o meio de comunicação e o custo do próprio meio de comunicação. O custo das conexões dependerá muito do desempenho que se espera da rede. Redes de baixo a médio desempenho usualmente empregam poucas estações com uma demanda de taxas de dados e volume pequeno, com isso as interfaces serão de baixo custo devido as sua limitações e aplicações.

controle em tempo real) a necessidade de retardo de transferência máximo limitado é de vital importância.

A utilização efetiva do sistema de comunicação é apenas uma porcentagem da capacidade total que ela oferece. Uma rede deve proporcionar capacidade suficiente para viabilizar a que é destinada, e certos critérios devem ser elevados em conta, a escolha adequada da arquitetura, incluindo a estrutura de conexão, o protocolo de comunicação e o meio de transmissão, velocidade e retardo de transferência de uma rede são essenciais para um bom desempenho de uma rede local.

A confiabilidade de um sistema em rede pode ser avaliada em termos de tempo médio entre falhas (Medium Time Between Failures- MTBF), tolerância a falhas, degradação amena (Gracefull Degradation), tempo de reconfiguração após falhas e tempo médio de reparo (MTTR - Medium Time to Repair).

O tempo médio entre falhas é geralmente medido em horas, estando relacionado com a confiabilidade de componentes e nível de redundância.

Degradação amena é dependente da aplicação ela mede a capacidade da rede continuar operando em presença de falhas, embora com um desempenho menor.

Reconfiguração após falhas requer caminhos redundantes sejam acionados tão logo ocorra uma falha ou esta seja detectada.

A rede deve ser tolerante a falhas transientes causadas por hardware e/ou software, de forma que tais falhas causem apenas uma confusão momentânea que será resolvidas sem recursos de redundância, mas essas não são de modo algum as únicas falhas possíveis. O tempo médio de reparo pode ser diminuído com o auxílio de redundância, mecanismos de autoteste e diagnóstico e manutenção eficiente.

Modularidade pode ser caracterizada como grau de alteração de desempenho e funcionalidade que um sistema(rede) pode sofrer em mudar seu projeto original. Os três maiores benefícios de uma arquitetura modular são a facilidade para modificação que é simplicidade com funções lógicas ou elementos de hardware podem ser substituídos, a despeito da relação íntima com outros elementos; a facilidade para crescimento diz respeito a configurações de baixo custo, melhora de desempenho e funcionalidade e baixo custo de expansão; e a facilidade para o uso de um conjunto de componentes básicos será melhor facilidade para viabilizar um projeto, adicionar equipamentos a rede, manutenção do sistema como um todo.

Uma rede bem projetada deve poder de adaptar modularmente às várias aplicações que é dedicada, como também prever futuras instalações.

De fundamental importância a compatibilidade será aqui utilizada como a capacidade que o sistema (rede) possui para de ligar a dispositivos de vários fabricantes, quer a nível de hardware quer a nível de software. Essa característica é extremamente importante na economia de custo de equipamentos já existentes.

Uma rede deve ter a capacidade de suportar todas as aplicações para qual foi dedicada e mais aquelas que o futuro possa requer. Quando possível, não deve ser vulnerável à tecnologia, prevendo a utilização de futuros desenvolvimentos, quer sejam novas estações, novos padrões de transmissão ou novas tecnologias de transmissão etc., a isso damos o nome de Sensibilidade Tecnológica.

Ponto a Ponto Multiponto

A comunicação no enlace refere-se a utilização do meio físico que conecta estações, e pode ser:

· Simplex: o enlace é utilizado apenas em um dos dois possíveis sentidos de transmissão. · Half-duplex: o enlace é utilizado nos dois possíveis sentidos de transmissão, porém apenas um por vez.

· Full-duplex: o enlace é utilizado nos dois possíveis sentidos de transmissão simultaneamente.

Simplex

Half-duplex

Full-duplex

2.2 - Redes Geograficamente distribuídas

· Topologia Totalmente Ligada

Nessa topologia, todas as estações são interligadas duas a duas entre si através de um caminho físico dedicado. A troca de mensagens entre cada par de estações se dá diretamente através de um desses enlaces. Os enlaces utilizados poderiam ser ponto a ponto com comunicação full-duplex de forma a permitir a comunicação plena entre quaisquer pares de estações embora essa topologia apresente maior grau de paralelismo de comunicação, torna-se quase sempre impraticável, principalmente em redes com grande número de estações e fisicamente dispersas. Numa rede com N estações, por exemplo, seriam necessárias

N(N-1)/2 ligações ponto a ponto para que se pudesse conectar todos os pares de estações através de linhas dedicadas. Dessa forma o custo do sistema, em termos de instalação de cabos e de hardware específico para comunicação, cresceria com o quadrado do número de estações, tornando tal topologia economicamente inviável.

Topologia Totalmente Ligada · Topologia em Anel

providenciados dado que as linhas utilizadas são, em geral de baixa velocidade e pouca confiabilidade. Considerando as limitações de confiabilidade e velocidade é preciso criar caminhos redundantes, para um aumento tanto de confiabilidade quanto de desempenho através do paralelismo de comunicações, sem, no entanto, cair na topologia totalmente ligada que possui restrições.

2.3 - Topologia Parcialmente Ligada

É uma topologia intermediária usada na maioria das redes geograficamente distribuídas. Possui as mesmas características da topologia em estrela , acrescida de caminhos redundantes.

Nessa topologia, nem todas as ligações entre pares de estações estão presentes, mas caminhos alternativos existem e podem ser utilizados em caso de falhas ou congestionamento em determinadas rotas. No caso em que estações sem conexão física direta desejem se comunicar, elas deverão de alguma forma encaminhar as suas mensagens para alguma outra estação que possa fazer a entrega da mensagem para a estação de destino. Esse processo pode se repetir várias vezes, de forma que uma mensagem pode passar por vários sistemas intermediários até ao seu destino final.

Topologia Parcialmente Ligada

A comunicação entre dois módulos processadores (chamados Equipamentos Terminais de Dados - ETDs ou Data Terminal Equipments-DTEs ) pode ser realizada por chaveamento de circuitos, chaveamento de mensagens ou chaveamento de pacotes. Em sistemas por chaveamento (ou comutação) de circuitos, um canal entre o ETD fonte e o ETD destino é estabelecido para uso exclusivo dessas estações até que a conexão seja desfeita, de maneira idêntica a uma chamada telefônica. Chaveamento de mensagem ou de pacote vai otimizar o uso dos meios de comunicação, tentando evitar a monopolização de todo o caminho durante uma conversação.

Em sistemas por chaveamento de mensagem, a mensagem por completo é enviada ao longo de uma rota do ETD fonte ao ETD de destino. Em cada nó do caminho, a mensagem é primeiro armazenada, e depois passada à frente, ao próximo nó, quando o canal de transmissão que liga esses nós estiver disponível. Sistemas por chaveamento de pacote diferem dos de chaveamento de mensagem pelo fato da mensagem ser quebrada em quadros ou pacotes antes da transmissão ser efetuada. A transmissão de cada pacote pode ser feita por um único caminho ou por caminhos diferentes sendo a mensagem reagrupada quando chega ao destino. Tanto na comutação de pacotes quanto no comutação de mensagens não existe a alocação de um canal dedicado da estação fonte à destino, de uso exclusivo da comunicação, como no caso da comutação de circuitos. A escolha do caminho fim a fim, isto é, do módulo de origem ao nó de destino, por onde uma mensagem deve transitar, è comumente chamado de roteamento. A escolha da rota pode ser feita a priori, antes do envio da mensagem, ou ser realizada passo a