Camada 1 - Tipos e Classificações de Redes

Introdução

Neste tópico estudaremos os principais tipos de redes que existem. Portanto, ao final você deverá ser capaz de responder as seguintes questões:

  • Quais são os principais formatos de conexão de rede e como eles funcionam?

  • Como classificá-las quanto as suas dimensões geográficas?

  • Quais as vantagens e desvantagens de cada tipo de rede?

Topologias de Rede 

As topologias de rede caracterizam a disposição física da rede que conecta os sistemas finais. Veja abaixo as principais topologias que podemos encontrar.

Topologia em Barramento

Funcionamento: um único cabo, chamado de barramento, é compartilhado entre os sistemas finais. Caso dois ou mais computadores enviem pacotes ao mesmo tempo, ocorre uma colisão das mensagens e a parada da rede. Essa topologia já não é mais utilizada nas redes locais atuais, cuja topologia predominante é a estrela.

 

Essas redes eram montadas com cabos coaxiais e conectores Tipo T. Veja a imagem abaixo do conector de um computador ao cabo central.

 

Características

  • Utiliza um único cabo compartilhado que deve ser muito bem aterrado;

  • Vantagem: rede muito barata;

  • Desvantagem: se dois ou mais dispositivos transmitirem ao mesmo tempo, ocorrerá uma colisão.

 

Topologia em Anel

Funcionamento: 

  • os computadores são conectados em formato de anel, onde, só é permitida a transmissão de um computador por vez. Dessa forma não há possibilidade de dois computadores transmitirem ao mesmo tempo e os pacotes colidirem.  

  • um pacote especial chamado “token” é repassado ao longo do anel e, somente, o computador que detém o token pode transmitir na rede. O token garante que somente um computador transmistirá por vez. A figura abaixo demonstra o funcionamento de uma rede em anel com a passagem do token.

 

 

Veja a figura abaixo que representa uma rede de fibra óptica do tipo FDDI (Fiber Distributed Data Interface). Essa rede normalmente possui dois anéis, um primário e outro secundário em caso de falha do primário.

 

Características

  • Conexões ponto-a-ponto formando um anel;

  •  Só transmite na rede quem detém o token;

  • Vantagens:

    • Os nós transmitem na velocidade máxima possível;

    • Rede livre de colisão.

  • Desvantagens:

    • Custo de gerenciamento do token;

    • Pode ocorrer o monopólio do token, onde, um computador não libera o token para os outros transmitirem;

    • Falha em um único ponto compromete toda a rede.

 

Topologia em Estrela

 

Funcionamento: possui um comutador central, que chamamos de concentrador, e interliga todos os sistemas finais. Esse comutador pode ser um Hub ou um Switch.

 

Essa topologia é a mais utilizada em redes locais, como as Lan Houses ou salas de informática, por exemplo. Veja alguns exemplos abaixo:

 

Lan House. Fonte: https://jovemnerd.com.br/nerdbunker/coluna-ah-que-saudade-dos-tempos-de-lan-house/

 

Sala de Informática com uma impressora compartilhada

Fonte: https://support.brother.com/g/b/faqend.aspx?c=in&lang=en&prod=hl4040cdn_as&faqid=faq00002756_000

 

Características da Topologia em Estrela

 

  • Possui um elemento concentrador central responsável por repassar os dados de uma origem para os destinatários: Hub ou Switch;

  • Qual a vantagem?

    • Fácil gerência e os nós podem transmitir na velocidade máxima do canal.

  • Quais as desvantagens? 

    • Falha no concentrador compromete toda a rede!

    • Se o concentrador for um Hub, funciona como uma topologia em barramento, podendo haver colisão.

  •  Onde é mais utilizada?

    • Conexões de redes locais, como conexões de uma lan house ou conexões dos PCs de uma sala com uma impressora compartilhada.

 

Topologia em Estrela Estendida

Funcionamento: Esse tipo de rede é formada por várias redes em estrela conectadas umas às outras. Veja o Exemplo abaixo representando a conexão de um escritório com duas salas de computadores. Essas salas conectam-se a um servidor e a um roteador que, por sua vez, faz a conexão com a Internet.


 

 

Topologia em Malha

Funcionamento: Nessa topologia, todos os dispositivos estão ligados a todos os outros. Reparem que há vários caminhos possíveis para conectar os dispositivos.

Fonte: https://sites.google.com/site/disciplinadeiccr/Home/topologias-logicas-e-topologias-fisicas/4--topologia-em-malha-ou-mesh

 

Características de uma Rede em Malha

 

  • Qual a vantagem?

    • Caso haja falha em um dos links, os pacotes podem ser enviados por rotas alternativas e os dispositivos podem continuar se comunicando na rede.

  • Onde é mais usada?

    • Esse tipo de conexão é comum em redes geograficamente distantes (WAN) para conectar roteadores ao longo da Internet.

Fonte: http://home-network-aprc-p3.blogspot.com/2017/04/what-is-wifi-mesh-networking.html

 

Topologia Física e Topologia Lógica

Uma rede pode possuir uma topologia física, porém, funcionar de acordo com uma outra topologia, chamada topologia lógica.

Por exemplo, as redes Token Ring IBM possuem uma conexão física em estrela, porém, o elemento concentrador gerencia um token que é revezado entre os dispositivos e, somente um pode transmitir por vez. Desse modo, a topologia física é estrela mas a rede funciona como uma rede em anel (topologia lógica). Veja o esquema abaixo.

 

Fonte: https://flylib.com/books/en/1.82.1.34/1/ 

 

Outro exemplo são as redes em estrela que utilizam o Hub. Como os pacotes podem colidir no Hub caso dois ou mais computadores enviem pacotes ao mesmo tempo, essa rede funciona como uma rede em barramento, não sendo livre de colisão. Nesse caso, a topologia física é estrela e a topologia lógica é barramento.  O esquema abaixo mostra uma transmissão simultânea colidindo no Hub central.

Fonte: https://www.homenethowto.com/switching/hubs/


 

Classificações de Rede

As redes são classificadas quanto a sua distância geográfica, sendo elas LAN, MAN ou WAN. Vamos analisar cada uma delas.

 

LAN (Local Area Network): rede local em um espaço geográfico muito restrito, como um prédio ou uma sala.

 

Fonte: https://www.tutorialspoint.com/computer_concepts/computer_concepts_basics_of_computer_networks.htm

 

 

Redes LAN Ethernet

 

Atualmente o principal padrão de redes tipo LAN são as redes Ethernet.

Fonte: KUROSE, James F.; ROSS, Keith W. Redes de Computadores e a Internet. São Paulo: Person, p. 28, 2006.

 

Uma rede Ethernet possui um comutador Ethernet central, como um Hub ou um Switch Ethernet, conectado por cabos tipo Par Trançado e operando a velocidades superiores a 100 Megabits por segundo. Veja as imagens abaixo de switches Ethernet e um cabo Par Trançado.

Fonte: https://www.indiamart.com/proddetail/internet-switches-21587981088.htmlhttp://www.cdlvr.org.br/noticias/3337/lan-houses-buscam-criatividade-para-ficarem-de-portas-abertas

 

MAN (Metropolitan Area Network): rede local metropolitana conecta redes locais em cidades ou estados. Por exemplo, a rede que interconecta os vários campi do IFFluminense é uma MAN, conectando as LANs de cada campus. Veja o esquema abaixo de uma re tipo MAN entre um provedor de Internet (ISP) e vários clientes em uma cidade

 

Fonte: https://queconceito.com.br/red-man

Fonte: https://informaticaeadministracao.wordpress.com/2014/04/22/lan-man-e-wan/



 

WAN (Wide Area Network): redes com ampla cobertura geográfica conectando LANS ou MANs em nível mundial. A Internet e a rede de telefonia 4 e 5g são exemplos de WANS. 



 

Fonte: https://www.techtud.com/computer-science-and-information-technology/computer-networks/types-networks/wan 


 

Comutação em Redes de Computadores

 

A comutação é o processo de recepção e repasse de sinais de Internet ao longo da rede. Os dispositivos responsáveis por essa função são os comutadores. Atualmente, os principais são os Hubs, os Switches e os Roteadores. Há basicamente dois tipos de comutação possíveis em redes, a comutação de circuitos e a comutação de pacotes.

 

Rede de Comutação de Circuitos

 

Funcionamento: enlaces e comutadores são alocados exclusivamente para uma transmissão entre dois dispositivos finais. Nela não há nenhum tipo de compartilhamento e os circuitos são dedicados a transmissão dos pares. Uma chamada telefônica ou transmissão via modem Discado ou DSL de uma residência até a operadora são exemplos de comutação de circuitos.

Fonte: http://wiki.foz.ifpr.edu.br/wiki/index.php/Comuta%C3%A7%C3%A3o_de_pacotes_x_Comuta%C3%A7%C3%A3o_de_circuitos

 

Características de uma Rede de Comutação de Circuitos

  • Alocação permanente de recursos até o fim da chamada;

  • Por manter a exclusividade entre os pares, possui um custo elevado e pode causar desperdício de recursos (links e comutadores).

 

Redes de Comutação de Pacotes

 

Funcionamento: a mensagem é dividida em pequenos pacotes de dados que são enviados um após o outro. Cada pacote é roteado até o seu destinatário, onde são reorganizados e a mensagem original é remontada. Não há reserva exclusiva de recursos e, por isso, os links e comutadores são compartilhados por vários dispositivos finais. Atualmente esse é o modelo predominante na Internet, tendo os roteadores como principais comutadores de pacotes. As imagens abaixo representam o processo de segmentação de um vídeo e o envio de pacotes menores através da rede.

Segmentação de um Vídeo. Fonte: http://www.cnt4all.com/2016/08/07-transport-layer-segmentation.html

 

Envio de pacotes em uma rede de Comutação de Pacotes. Fonte: http://wiki.foz.ifpr.edu.br/wiki/index.php/Comuta%C3%A7%C3%A3o_de_pacotes_x_Comuta%C3%A7%C3%A3o_de_circuitos


 

Características de uma Rede de Comutação de Pacotes

 

  • Os pacotes são enfileirados e repassados pelo comutador na ordem de chegada;

  • O mesmo circuito pode transmitir pacotes de várias origens para vários destinatários;

  • Recursos são compartilhados e não há exclusividade de enlaces ou comutadores;

  • Caso haja uma quantidade muito grande de pacotes, os comutadores podem ficar congestionados e alguns pacotes podem se perder. É necessário um protocolo para tratar esses casos de perda de pacotes.

 

Resumo

 

Neste tópico aprendemos o seguinte:

 

  • Classificação quanto a topologia da rede:

    • Barramento: um único barramento conecta todos os dispositivos da rede, podendo gerar colisões em caso de transmissões ao mesmo tempo;

    • Anel: rede livre de colisão, onde, cada dispositivo é conectado à dois outros, formando um anel. O controle da transmissão é realizado pela passagem de um token;

    • Estrela e Estrela estendida: possui um comutador central que conecta os dispositivos por meio de cabos e depende do comutador para funcionar;

    • Malha: rede que conecta os dispositivos a todos os outros, apresentando caminhos alternativos de conexão em caso de falha de alguns links.

 

  • Classificação quanto ao alcance geográfico:

    • LAN: rede local com alcance restrito a um prédio ou um campus;

    • MAN: rede metropolitana com alcance de uma cidade ou estado;

    • WAN: rede de longa distância de alcance continental, como a Internet e a rede de telefonia 5 G.

 

  • Classificação quanto ao tipo de comutação:

    • Rede de Comutação de Circuitos: enlaces e comutadores são alocados exclusivamente para uma transmissão e não há compartilhamento de recursos;

    • Rede de Comutação de Pacotes: enlaces e comutadores são compartilhados entre vários dispositivos para transmissão. Nesse tipo de rede a mensagem é dividida em pacotes menores que são enfileirados e repassados pelos comutadores.