Redes de Computadores

Topologias de Rede e Modelos de Referência

Professor: Gabriel Soares Baptista

Comunicação de Dados

• Essência: Ato de compartilhar informações.
• Telecomunicação: Superar a distância (tele, do grego).
• Dados: Informações apresentadas em qualquer formato acordado entre as partes criadoras e usuárias.

Definição Técnica

A comunicação de dados consiste na troca de informações entre dois dispositivos através de um meio de transmissão via um sistema composto pela união de hardware (equipamentos físicos) e software (programas).

Eficácia da Comunicação

A eficácia e utilidade de um sistema de comunicação dependem de quatro características fundamentais:

1. Entrega: O sistema deve entregar os dados ao destino correto e exclusivamente ao dispositivo ou usuário pretendido.
2. Precisão: Os dados devem chegar intactos; informações alteradas e não corrigidas são inúteis.
3. Sincronização: A entrega deve ocorrer no momento certo (em tempo real para áudio e vídeo).
4. Jitter: Refere-se à variação no tempo de chegada dos pacotes, resultando em qualidade irregular.

Componentes do Sistema

Representação dos Dados

• Texto: Representado por padrões de bits; o sistema Unicode (32 bits) é o padrão predominante atual.
• Números: Convertidos diretamente para binário para facilitar cálculos matemáticos.
• Imagens: Formadas por matrizes de pixels, utilizando métodos como RGB (Red, Green, Blue).
• Áudio e Vídeo: Possuem natureza contínua e requerem digitalização para transmissão.

Modos de Transmissão (Fluxo)

A interação entre dois dispositivos é classificada pela direção e simultaneidade do fluxo de dados:

Fluxo vs. Endereçamento

É crucial distinguir a mecânica da estrada (fluxo) de para quantos você está dirigindo (endereçamento).

Redes e Efetividade

Uma rede é um conjunto de dispositivos (nós) conectados por links de comunicação.

• Processamento Distribuído: Estratégia onde tarefas são divididas entre vários computadores independentes.
• Critérios de Efetividade:
• Desempenho: Medido pelo tempo de trânsito e tempo de resposta; influenciado pelo hardware e software.
• Confiabilidade: Medida pela frequência de falhas e tempo de recuperação do link.
• Segurança: Proteção contra acesso não autorizado e danos aos dados.

Atributos Físicos da Rede

Existem dois tipos fundamentais de conexão física entre dispositivos:

• Ponto a Ponto: Um link dedicado conecta exclusivamente dois dispositivos (Ex: controle remoto da TV).
• Multiponto: Vários dispositivos compartilham o mesmo link espacialmente ou temporalmente.

Topologia em Malha (Mesh)

Cada dispositivo possui um link ponto a ponto dedicado com cada um dos demais dispositivos.

• Vantagens: Robustez extrema (redundância) e privacidade.
• Desvantagens: Volume massivo de cabeamento e alto custo de instalação.

Topologias Estrela

Cada dispositivo tem um link dedicado apenas com um controlador central (Hub/Switch).

• Vantagem: Mais barata e fácil de instalar; a falha de um link afeta apenas um dispositivo.
• Risco: Possui um ponto único de falha (o hub central).

Topologias Barramento (Bus)

Topologia multiponto onde um único cabo longo (backbone) interliga todos os dispositivos.

• Desafio: O sinal degrada com a distância; uma ruptura no cabo principal derruba toda a rede.

Topologias Anel

Cada dispositivo conecta-se ponto a ponto exclusivamente com seus dois vizinhos imediatos.

• Operação: O sinal percorre o anel em sentido único, sendo regenerado por cada repetidor.
• Risco: Uma falha em qualquer estação ou link pode derrubar a rede.

Topologias Híbrida

Combina características das topologias anteriores para maximizar eficiência e escalabilidade.

• Exemplo: Backbone em estrela conectando sub-redes em barramento.

Questões de Fixação - 1 / 3

1. Considere um sistema de Rádio FM tradicional e um sistema de Walkie-Talkie.

• a) Classifique ambos quanto à direção do fluxo (Simplex, Half-Duplex ou Full-Duplex).
• b) Classifique a torre de Rádio FM quanto ao endereçamento (Unicast, Multicast ou Broadcast).
• c) Explique por que uma conversa telefônica é considerada Full-Duplex e Unicast ao mesmo tempo.

2. Para uma rede de um pequeno escritório com 6 computadores, calcule:

• a) Quantos cabos físicos (links) são necessários para uma topologia em Malha completa? (Use $n(n-1)/2$).
• b) Quantos cabos são necessários para uma topologia em Estrela (com 1 hub)?
• c) Qual a diferença absoluta no número de cabos entre as duas opções?

Questões de Fixação - 1 / 3 (cont.)

3. Uma empresa conecta 10 computadores em uma topologia em Malha (Mesh) completa.

• a) Quantas portas de I/O cada computador individual precisará ter instaladas?
• b) Quantos links físicos (cabos) existirão no total nessa rede?
• c) Se a empresa adicionar mais um computador (total 11), quantos novos cabos precisarão ser instalados?

4. Analise uma rede em topologia de Barramento (Bus) com 15 estações de trabalho.

• a) Quantos terminadores são necessários fisicamente para evitar reflexão de sinal?
• b) Se o cabo romper entre a 7ª e a 8ª estação, quantas estações continuam aptas a se comunicar com todas as outras? Justifique.

Questões de Fixação - 1 / 3 (cont.)

5. Considere uma rede em Anel unidirecional com 20 estações.

• a) Quantas conexões físicas (links) existem no total para fechar o anel?
• b) O que acontece com a rede se a estação número 5 sofrer uma falha de energia e desligar?
• c) Como a topologia em Estrela isola esse tipo de falha melhor que o Anel simples?

13. Explique por que uma variação alta de Jitter é catastrófica para uma transmissão de TV via internet (IPTV), mas quase imperceptível para o download de um arquivo PDF.

14. Na Camada de Rede, qual é a diferença técnica entre endereçar um pacote e rotear um pacote? Use a analogia do sistema de correios.

Hierarquia de Protocolos

A metodologia padrão para lidar com a complexidade das redes é a organização em camadas (ou níveis).

• Máquina Virtual: Cada camada oferece serviços específicos à camada superior e oculta os detalhes de implementação.
• Protocolo: Conjunto de regras e convenções que governa a comunicação entre camadas pares (peers).
• Interface: Define quais operações e serviços a camada inferior oferece à superior.

Analogia dos Filósofos

A comunicação real envolve o fluxo vertical de dados, enquanto a lógica é horizontal.

• Camada 3 (Filósofos): Desejam comunicar uma ideia; falam idiomas diferentes.
• Camada 2 (Tradutores): Convertem a mensagem para um idioma comum acordado (Protocolo).
• Camada 1 (Secretárias): Transmitirão a mensagem fisicamente por um meio (Ex: Fax) (Serviço).

Processo de Encapsulamento

À medida que a mensagem desce pela pilha, cada camada adiciona informações de controle.

• Cabeçalho (Header): Adicionado para controle (endereçamento, sequência).
• Trailer: Adicionado em camadas inferiores (como Enlace) para detecção de erros.
• Desencapsulamento: No destino, cada camada remove e processa o cabeçalho correspondente, entregando o conteúdo limpo à camada superior.

Desafios de Projeto de Camadas

Ao projetar redes, existem desafios universais que exigem soluções arquiteturais robustas:

• Confiabilidade:

  • Detecção e Correção de Erros: Uso de redundância para recuperar mensagens corrompidas.
  • Roteamento: Capacidade de encontrar caminhos funcionais automaticamente caso enlaces falhem.

• Evolução da Rede:

  • Endereçamento e Nomeação: Identificar bilhões de transmissores e receptores.
  • Escalabilidade: Manter o desempenho enquanto a rede cresce.

• Alocação de Recursos:

  • Multiplexação Estatística: Compartilhamento dinâmico da largura de banda com base na demanda.

Controle de Fluxo vs. Congestionamento

Diferenciar a velocidade entre dois pontos da saúde global da rede:

• QoS (Qualidade de Serviço): Conjunto de mecanismos para garantir pontualidade (tempo real) vs. vazão (arquivos).

Segurança nas Camadas

A segurança permeia todas as camadas e baseia-se em criptografia para garantir três pilares:

Questões de Fixação - 2 / 3

6. Suponha que um arquivo de 1.000 bytes precise ser enviado em uma rede de 5 camadas. Cada camada adiciona um cabeçalho ($H$) de 20 bytes e a camada de enlace (Camada 2) adiciona também um trailer ($T$) de 20 bytes.

• a) Qual será o tamanho total do quadro transmitido fisicamente pelo meio?
• b) Qual é a porcentagem de overhead (informação de controle) nessa transmissão?

7. Na analogia dos Filósofos: Suponha que as Secretárias decidam parar de usar o Fax e comecem a usar E-mail.

• a) Isso exige que os Tradutores mudem o idioma que usam (o protocolo)?
• b) Isso exige que os Filósofos mudem a mensagem ("Gosto de coelhos")?
• c) Use essa analogia para explicar o conceito de independência de camadas.

Questões de Fixação - 2 / 3 (cont.)

9. O Modelo OSI introduziu uma distinção clara entre Serviço e Protocolo. Utilizando a analogia de Programação Orientada a Objetos:

• a) O que corresponde ao "Serviço"?
• b) O que corresponde ao "Protocolo"?
• c) Se um engenheiro alterar o algoritmo de criptografia interno de uma camada, ele alterou o serviço ou o protocolo?

12. Identifique qual pilar de segurança (Confidencialidade, Autenticação ou Integridade) foi violado:

• a) Um atacante intercepta um pacote e altera o valor de $10 para $1.000.
• b) Um usuário acessa um site falso que imita seu banco para roubar senhas.
• c) Um espião industrial lê e-mails confidenciais sem alterá-los.

Serviços Orientados vs. Não Orientados

As camadas oferecem dois tipos fundamentais de serviços:

• Confiança: Serviços confiáveis usam confirmações (ACKs), introduzindo overhead.
• Performance: Aplicações em tempo real (VoIP) preferem serviços não confiáveis para evitar atrasos de retransmissão.

Primitivas de Serviço

Operações (chamadas de sistema) que permitem acessar os serviços de rede.

Relacionamento Serviço vs. Protocolo

Diferenciar o que é feito de como é feito.

• Serviço: Operações (primitivas) que a camada oferece à camada superior (relação vertical).
• Protocolo: Regras que governam o formato das mensagens trocadas entre entidades pares (relação horizontal).

O Modelo de Referência OSI

Proposta da ISO para interconexão de sistemas abertos, baseada em 7 camadas.

1. Física: Transmissão bruta de bits (voltagem, duração do bit).
2. Enlace: Transforma o canal bruto em linha livre de erros (Quadros/ACKs).
3. Rede: Roteamento dos pacotes da origem ao destino.
4. Transporte: Primeira camada ponta a ponta; garante a entrega correta no destino.
5. Sessão: Gerencia controle de diálogo e sincronização de transferências longas.
6. Apresentação: Tradutor universal (sintaxe/semântica, criptografia, compressão).
7. Aplicação: Protocolos usados diretamente (HTTP, FTP, SMTP).

O Modelo de Referência TCP/IP

Arquitetura robusta fundamentada na ARPANET, projetada para sobreviver a perdas de hardware.

• Camada de Enlace: Interface entre hosts e o meio físico.

• Camada Internet: O coração do modelo; roteia pacotes independentes (IP, ICMP).

• Camada de Transporte:

• TCP: Orientado a conexão, confiável, ordenado.

• UDP: Não orientado a conexão, não confiável, rápido.

• Camada de Aplicação: Contém protocolos de alto nível (HTTP, DNS, SMTP, RTP).

Comparação: OSI vs. TCP/IP

Questões de Fixação - 3 / 3

8. Sobre serviços de rede:

• a) Cite duas aplicações modernas onde o serviço UDP é preferível ao TCP. Justifique com base no atraso.
• b) Por que o estabelecimento de conexão é necessário para garantir a entrega ordenada?

10. Compare a Camada de Transporte:

• a) O modelo OSI permite protocolos não orientados a conexão nessa camada?
• b) O modelo TCP/IP permite protocolos orientados a conexão?
• c) Qual modelo provou-se mais flexível para aplicações modernas?

11. Em uma interação Cliente-Servidor confiável, seis pacotes são trocados. Se a conexão fosse por Datagrama, quantos pacotes seriam trocados minimamente? Por que bancos usam o modelo de seis pacotes?

Conclusão e Próximos Passos

• Princípios físicos da modulação.
• Propriedades dos meios guiados (Cobre/Fibra).
• Transmissão via rádio e satélite.