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Topologias de Redes

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Introdução : 

" Quando você precisa de ir além do computador em cima de sua mesa, esta na hora de instalar uma rede local ".

Um rede de computadores é um recurso valioso , projetado para apoiar uma equipe de usuários.Os benefícios de se conectar os recursos podem ser grandes ou não, depedendendo  de varios fatores ( infra-estrutura, equiapamentos, aplicações ,pessoas, etc ). De uma maneira geral sempre existe vantagem na  implantanção de uma rede de computadores e por esta razão as empresas estão interconectando seus computadores.

Antigamente as redes eram de difícil instalação e manutenção, exigindo mão de obra altamente qualificada. Atualmente encontramos kits para instalação de redes e qualquer pessoa pode executar este serviço.

Em um ambiente profissional existe a necessidade de um administrador que tem como responsabilidade : coordenar tarefas, gerenciar problemas, monitorar processos, adminsitrar usuários,etc.

Um dos maiores benefícios de uma rede de computadores é o compartilhamento das informações entre usuários e a possibilidade do compartilhamento de recursos ( impressoras,aplicativos, etc).

 A topologia refere-se ao  "layout físico"  e ao meio de conexão dos dispositivos na rede, ou seja, como estes estão conectados. Os pontos no meio onde são conectados recebem a denominação de nós, sendo que estes nós sempre estão associados a um endereço, para que possam ser reconhecidos pela rede.

Várias são as estratégias de topologia, embora as variações sempre derivem de três topologias básicas que são as mais frequentemente empregadas.

Topologias :

A topologia de uma rede depende do projeto das operações, da confiabilidade e do sue custo operacional.Ao se planejar uma rede, muitos fatores devem ser considerados, mas o tipo de participação dos nodos é um dos mais importantes. Um nodo pode ser fonte ou usuário de recursos, ou uma combinação de ambos.

Anel :

Uma rede em anel consiste de estações conectadas através de um caminho fechado. Nesta configuração, muitas das estações remotas ao anel não se comunicam diretamente com o computador central.

Redes em anel são capazes de transmitir e receber dados em qualquer direção, mas as configurações mais usuais são unidericionais, de forma a tornar menos sofisticado os protocolos de comunicação que asseguram a entrega da mensagem corretamente e em sequência ao destino.

Quando uma mensagem é enviada por um nodo, ela entra no anel e circula até ser retirada pelo nó destino, ou então até voltar ao nó de fonte , dependendo do protocolo empregado. O último procedimento é mais desejável porque permite o envio simultâneo de um pacote para múltiplas estações. Outra vantagem é permitir que determinadas estações recebam pacotes enviados por qualquer estação da rede, independemente de qual que seja o nó destino.

A desvantagem deste tipo de configuração é que existe pouca tolerãncia a falhas. Qualquer que seja o controle de acesso empregado, ele pode ser perdido por problemas de fallha e pode ser difícil determinar com certeza se este controle foi perdido ou decidir qual nó deve recriá-lo.Erros de transmissão e processamento podem fazer com que uma mensagem continue eternamente a circular no anel. A utilização de uma estação monitora pode contormar este problema.Esta estação poderia também executar as seguintes funções : iniciar o anel ,enviar pacotes de teste e diagnóstico e outras tarefas de manutenção. A estação monitora pode ser dedicada ou uma outra que assuma em determinado tempo essas funções.

Essa configuração requer que cada nodo seja capaz de remover seletivamente mensagens da rede ou passá-las adiante para o próximo nó.Nas redes unidirecionais, se uma linha entre dois nodos cair, todo o sistema sai do ar até que o problema seja resolvido. Se a rede for bidirecional, nenhum ficará inacessível, já que poderá ser atingido pelo outro lado.

Barra :

Nesta configuração todos os nodos ( estações ) se ligam ao mesmo meio de transmissão. A barra é geralmente compartilhada em tempo e frequência, permitindo transmissão de informação.Nas redes em barra comum, cada nó  conectado à barra pode ouvir todas as informações transmitidas. Esta característica facilita as aplicações com mensagens do tipo difusão ( para múltiplas estações ). Existem uma variedade de mecanismos para o controle de acesso à barra pode ser centralizado ou descentralizado. A técnica adotada para acesso à rede é a multiplexação no tempo. Em controle centralizado, o direito ao acesso é determinado por uma estação espacial da rede. Em um ambiente de controle descentralizado, a responsabilidade de acesso é distribuída entre todos os nodos.

Nas topologias em barra, as falhas não causam a parada  total do sistema. Relógios de prevenção ( watch-dos-timer), em cada transmissor devem detectar e desconectar o nodo que falha no momento da transmissão.

O desempenho de um sistema em barra comum é detrerminado pelo meio de transmissão, número de nodos conectados, controle de acesso, tipo de tráfego entre outros farores. O tempo de resposta pode ser altamente dependente do protocolo de acesso utilizado.

Estrela :

Neste tipo de rede, todos os usuários comunicam-se com um nodo central, tem o controle supervisor do sistema chamado "host". Através do host os usuários podem se comunicar entre si e com processadores remotos ou terminais. No segundo caso, o host funciona como um comutador de mensagens para passar os dados entre  eles.

O arranjo em estrela é a melhor escolha se o padrão de comunicação  da rede for de um conjunto de estações secundárias que se comunicam com o nodo central. As situações onde isto  mais acontece são aquelas em que o nodo central está restrito às funções de gerente das comunicações e a operações de diagnósticos.

O gerenciamento das comunicações por este nó central pode ser por chaveamento de pacotes ou de circuitos.

O nodo central pode realizar outras funções além das de chaveamento e processamento normal.Por exemplo, pode compatibilizar a velocidade de comunicação entre o transmissor e o receptor. Se o protocolo dos dispositivos fonte e destino utilizarem  diferentes protocolos, o nó central pode atuar como um conversor, permitindo duas redes de fabricantes diferentes se comunicar.

No caso de ocorrer falhas em uma estação ou no meio de ligação com o nodo central, apenas esta estação fica fora de operação. Entretanto, se uma falha ocorrer  no nodo central, todo o sistema pode ficar fora do ar. A solução deste problema seria a redundância, mas isto acarreta um aumento considerável de custos.

A expansão de uma rede deste tipo só pode ser feita até um certo limite, imposto pelo nodo central : em termos de capacidade de chaveamento, número de circuitos concorrentes que podem ser gerenciados e número de nós que podem ser servidos.

O desempenho obtido numa rede em estrela depende da quantidade de tempo requerido pelo nodo central para processar e encaminhar mensagens, e da carga de tráfego de conexão, ou seja, é limitado pela capacidade de processamento do nodo central.

Esta configuração facilita o controle da rede e a maioria dos sistemas de computação com funções de comunicação possuem um software que implementa esta configuração.

Multiponto :

Nesta modalidade de ligação existe sempre uma estação controladora que coordena o tráfico de dados das demais estações chamadas subordinadas. Este controle é feito através de uma rotina de atendimento denominada " poll-select".

Estas redes podem permitir que estações subordinadas se comuniquem entre si diretamente ou apenas através da estação controladora. A diferença entre estes dois modos de envio de mensagens é a complexidade de controle.

Estruturas Mistas :

As estruturas mistas são tipos de redes que utilizam características dos dois tipos básicos de redes, a ligação ponto-a-ponto e multiponto, para se obter redes mais complexas e com maiores recursos.As estruturas mistas podem ser do tipo Estrela,Barra e Anel.

Hubs e Switches :

A topologia de uma rede irá determinar , em parte, o método de acesso utilizado. Métodos de acesso são necessários para regular o acesso a meios físicos compartilhados. Assim, costuma-se associar os métodos de acesso às topologias utilizadas. A instalação física das redes tem sofrido uma forte tendência na direção da utilização de hubs, o que, fisicamente, corresponde à implantação de uma topologia em entrela. Essa tendência é explicada, basicamente, pela crescente necessidade de melhorar o gerenciamento e  manutenção nessas instalações. O maior problema da topologia em estrela, como mencionado, é a sua baixa confiabilidade dada a presença de um elemento central no qual as falhas provocam a parada total do sistema.Porém, os avanços da eletrônica já permitem, hoje, que se construam equipamentos de alta confiabilidade, viabilizando esse tipo de topologia.

A utlização de hubs, no entanto, não exige, necessariamente, que as interfaces das estações com a rede a percebam como uma topologia em estrela. Do ponto de vista da interface das estações com a rede, o funcionamento se dá como em um anel, com os seus respectivos métodos de acesso. Note porém, que a implementação física, interna nos hubs, pode ser qualquer uma desde que essa interface seja preservada.

A demanda por maiores taxas de transmissão e melhor utilização dos meios físicos, aliados à evolução contínua da microeletrônica, começou a alterar a construção desses equipamentos concentradores. A apartir do  momento em que as estações estão ligadas a um elemento central, no qual a implementação interna é desconhecida mas a interface é coerente com as estações, é possível pensar que esses elementos podem implementar arquiteturas que não utilizam apenas um meio compartilhado, mas sim possibilitam a troca  de mensagens entre várias estações simultaneamente, desta forma, estações podem obter para si taxas efetivas de transmissão bem maiores do que as observadas anteriormente.Esse tipo de elemento central é denominado SWITCH.

Seguir esta tendência utilizando-se  dos  métodos de acesso para meios compartilhados impõe limitações muito grandes às taxas de transmissão que se pode atingir, muito embora tenha sido uma necessidade de mercado manter as interfaces anteriormente padronizadas. Mas a evolução natural, como não poderia deixar de ser, veio com a criação de novas interfaces de acesso que permitiram que taxas de transmissão bem maiores fossem utilizadas. Redes ATM, baseiam-se na presença de switches de grande capacidade de comutação que permitem taxas de transmissão que podem chegar a ordem de Gbps.

Assim, a topologia em estrela, tanto física quanto logicamente ,retoma seu lugar no mundo das redes de computadores.

Relação Entre Topologia e meio de Transmissão :

Certas topologias estão ligadas à unidirecionalidade ( ou bidirecionalidade ) do meio de transmissão. Fora esse fator, teoricamente qualquer meio de transmissão pode ser usado em qualquer topologia.Mas o estágio atual do desenvolvimento tecnológico só permite que algumas combinações sejam usadas nas redes locais comercializadas hoje, pois o custo de outras combinações é proibitivo.

A tabela abaixo mostra as combinações que hoje são economicamente viáveis. Nela também foi levada em conta a uni ou bidirecionalidade do meio de transmissão, quando requerida.

 Meio de Transmissão      Barra      Árvore      Anel     Estrela     
 Par trançado x  x x
 Coaxial 50 ohms x  x 
 Coaxial 75 ohms x x  
 Fibra ótica   x 

A topologia em barra pode empregar como meio de transmissão o par trançado e os cabos coaxiais de 50 ou 75 ohms. Ainda não é economicamente vantajoso usar um par de fibra ótica em ligações multiponto, se bem que, como já foi ressaltado, a pesquisa nessa área seja intensa.

A topologia em árvore exige unidirecionalmente, o que nos leva a pensar em cabos de 75 ohms ou fibras óticas, mas essa última fica descartada pela necessidade de ligações multiponto.

A topologia em anel pode ser construída com par trançado, cabos de 50 ohms ou fibra ótica. O uso do cabo de 75 ohms exigiria um número elevado de repetidores para múltiplos canais, o que tornaria economicamente inviável.

A topologia em estrela, hoje, só é viável economicamente para taxas de transmissão baixas, o que nos leva a escolher o par trançado como o meio de transmissão adequado.

Cabos :

Os cabos talvez tenham 50 % do fracasso ou do sucesso da instalação de uma rede. Muito dos problemas encontrados nas redes são identificados como causados pela má instalação ou montagem dos cabos. Um cabo bem feito contará pontos a seu favor no restante da rede. Em caso de dúvida com algum cabo é melhor não utilizá-lo.

Entre as ferramentas necessárias temos :

- Alicate de grimpar para conectores  BNC e RJ 45

- Ferro de solda, ferramentas diversas

Para testes do cabos contamos com equipamentos que medem com precisão o seu bom funcionamento. Para cada tipo de abo temos vários tipos de testadores.

Cabo Coaxial :

O primeiro tipo de cabeamento que surgiu no mercado foi o cabo coaxial. Há alguns anos, essa cabo era o que havia de mais avançado, sendo que a troca de dados entre dois computadores era coisa do futuro. Até hoje existem vários tipos de cabos coaxiais, cada um com as suas características específicas. Alguns são melhores para transmissão em alta frequência, outros são imunes a ruídos e interferências. Os cabos coaxiais de alta qualidade não são maleáveis e são difícies  de instalar. Os cabos de baixa qualidade podem ser inadequados para trafegar dados em alta velocidade e longas distâncias.

Ao contrário do cabo de par trançado, o coaxial mantém uma capacidade constante e baixa, independente do seu comprimento ,evitando assim vários problemas técnicos. Devido a isso, ele oferece velocidade da ordem de megabits / seg , não sendo necessário a regeneração do sinal, sem distorção ou eco. propriedade que já revela alta tecnologia. O cabo coaxial pode ser usado em ligações ponto a ponto ou multiponto. A ligação do cabo coaxial causa reflexão devido a impedância não infinita do conector. A colocação destes conectores , em ligação multiponto, deve ser controlada de forma a garantir que as reflexões não desapareçam em fase de um valor significativo.Uma dica interessante : em uma rede coaxial tipo BUS - também conhecida pelo nome de rede coaxial varal, o cabo deve ser casado em seus extremos de forma a impedir reflexões.

A maioria dos sistemas de transmissão de banda base utilizam cabos de impedância com características de 50 ohms, geralmente utilizados nas TVs a cabo e em redes de banda larga. Isso se deve ao fato de a transmissão em banda base sofrer menos reflexão , devido às capacitâncias introduzidas nas ligações ao cabo de 50 ohms. Os cabos coaxiais possuem uma maior imunidade a ruídos eletromagnéticos de baixa frequência e , por isso, eram o meio de transmissão mais usados em redes locais.

Par trançado :

Com o passar do tempo, surgiu o cabeamento de par trançado. Esse tipo de cabo tornou-se muito usado devido a falta de flexibilidade de outros cabos e por causa da necessidade de se ter um meio físico que conseguisse uma taxa de transmissão alta e mais rápida. Os cabos de par trançado possuem dois ou mais fios entrelaçados em forma de espiral e , por isso, reduzem o ruído e mantém constante as propriedades elétricas do meio, em todo o seu comprimento.

A desvantagem deste tipo de cabo, que pode ter transmissão tanto analógica quanto digital, é a sua suscetibilidade às interferências a ruídos ( eletromagnéticos e radio frequência ). Esses efeitos podem, entretanto, ser minimizados com blindagem adequada. Vale destacar que várias empresas já perceberam que, em sistemas de baixa frequência, a imunidade a ruídos é tão boa quanto a do cabo coaxial.

O cabo de par trançado é o meio de transmissão de menor custo por comprimento no mercado. A ligação de nós ao cabo é também extremamente simples e de baixo custo. Esse cabo se adapta muito bem ás redes com topologia em estrela, onde as taxas de dados mais elevadas permitidas por ele e pela fibra ótica ultrapassam, e muito , a capacidade das chaves disponíveis com a tecnologia atual. Hoje em dia, o par trançado também está sendo usado com sucesso ,em conjunto com sistemas ATM para viabilizar o tráfego de dados a uma velocidade extremamente alta : 155 Mbps.

Fibra Ótica :

Quando se fala em tecnologia de ponta, o que existe de mais moderno são os cabos de fibra ótica. A transmissão de dados por fibra ótica é realizada pelo envio de um sinal de luz codificado, dentro do domínio de frequência do infravermelho a uma velocidade de 10 a 15 Mhz. O cabo ótico consiste de um filamento de sílica e de plástico, onde é feita a transmissão de luz. As fontes de transmissão de luz podem ser diodos emissores de luz ( LED ) ou lasers semicondutores. O cabo óptico com transmissão de raio laser é o mais eficiente em potência devido a sua espessura reduzida. Já os cabos com diodos emissores de luz são muito baratos, além de serem mais adaptáveis à temperatura ambiente e de terem um ciclo de vida maior do que o do laser.

Apesar de serem mais caros, os cabos de fibra ótica não sofrem interferências com ruídos eletromagnéticos e com radio frequências e permitem um total isolamento entre transmissor e receptor. Portanto, quem deseja ter uma rede segura, preservar dados de qualquer tipo de ruído e ter velocidade na transmissão de dados, os cabos de  fibra ótica são a melhor opção do mercado.

O cabo de fibra ótica pode ser utilizado tanto em ligações ponto a ponto quanto em ligações multiponto.A exemplo do cabo de par trançado, a fibra ótica também está sendo muito usada e mconjunto com sistemas ATM, que transmitem os dados em alta velocidade. O tipo de cabeamento mais usado em ambientes internos ( LANs ) é o par trançado, enquanto o de fibra ótica é o mais usado em ambientes externos.

 

Hubs :

Hubs são dispositivos utilizados para conectar os equipamentos que compôem uma LAN ( Local Area Network  ou Rede Local ). Com o Hub as conexões de rede são concentradas  ( por isso também são chamados de concentradores ) ficando cada equipamento num segmento próprio. O gerenciamento da rede é favorecido e a solução de problemas facilitada, uma vez que o defeito fica isolado no segmento da rede. Cada Hub pode receber vários micros, atualmente temos no mercado Hubs de 4, 8, 16 , 32 portas. Podemos fazer a conexão entre Hubs aumentando a capacidade final.

Bridges ( Pontes ) :

Conectam múltiplas LANs. Isto divide o tráfego na rede, apenas passando informações de um lado para outro quando for necessário.

Roteadores :

Faz o papel de guarda de trânsito, garantindo que os pacotes de mensagens sejam dirigidos a endereços certos na rede.

Repetidores :

São equipamentos utilizados quando se deseja repetir o sinal enviado por um equipamento quando a distãncia a ser percorrida é maior do que o recomendado  ( 180 metros ) .Ele realiza uma amplificação do sinal já fraco dando nova força para que chegue ao ponto de destino.

Padrões de Tramissão

ETHERNET:

A  rede ethernet é a mais conhecida dentre as atuais utilizadas e , está no mercado há mais tempo do que as outras tecnologias de rede. A redução dos preços e uma relativa alta velocidade de transmissão de dados fomentaram a ampla utilização da ethernet.

Ela poderá ser utilizada com topologia barramento ( Coaxial ) ou  estrela ( par trançado com Hub ).

Neste tipo de rede, cada PC "ouve" o tráfego na rede e se não ouvir nada, eles transmitem as informações. Se dois clientes transmitirem  informações ao mesmo tempo , eles são alertados sobre a colisão, param a transmissão e esperam um período aleatório para cada um antes de tentar novamente, este método é conhecido como  Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ( CSMA / CD ). Em caso de colisão os dados são perdidos e cada um dos envolvidos na colisão aguardam o período para retrasmitir não havendo perdas para o usuário. A medida que o número de estações aumentam, aumentam também o número de colisões.

Token Ring :

O método de acesso Token Ring ( passagem de permissão ) utiliza  um método circular para determinar qual a estação tem permissão para transmitir. O Token Ring opera em topologia em anel e garante que todas as estações da rede tenham chance de transmitir dados. Ele alcança este objetivo utilizando um padrão especial de bir conhecido como token ou permissão.

Em uma rede Token Ring, seu computador pacientemente monitora a rede  até que  ele veja um padrão especial de bits denominado permissão. Ao ver a transmissão ele envia um pacote de dados. Este pacote de dados viaja pelo anel e o destinatário recebe na passagem. Quando o pacote retornar ao transmissor ele passa o token para a próxima estação. Este processo se repete infinitamente. Os tempos são medidos em frações de segundos.

Fonte :  Topologias de Rede / Unicentro Newton Paiva / Tecnologia em Processamento de Dados / Agnaldo Lopes  Martins e  Sandro Marani

 

 

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