Redes de Computadores
Prof. Macêdo Firmino
Introdução a Redes de Computadores
Macêdo Firmino (IFRN)
Redes de Computadores
Março de 2012
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Introdução a Rede de Computadores
O que é Redes de Computadores?
É a infra-estrutura de hardware e software usada para transferir
informação entre dois ou mais entidades. Estas entidades podem ser:
computadores, impressoras, câmeras, telefones celulares, televisões ou
qualquer dispositivo que tenha a capacidade de processamento de
dados;
Esta infra-estrutura proporciona a transmissão de dados, voz, imagem
e vı́deo.
A interconexão pode ser feita através de qualquer meio fı́sico que
possa transmitir informação. Por exemplo:
Cabeamento de cobre;
Fibras ótica;
Microondas;
Links de satélite, etc.
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Por que se Usar Redes de Computadores?
Meio de comunicação a distância;
Compartilhamento de recursos (arquivos, vı́deo, voz, etc.) com alta
confiabilidade;
Economia (baixo custo);
Entretenimento;
Praticamente todos os sistemas de TI (Tecnologia da Informação)
apresentam algum tipo de facilidade de rede;
Rapidamente está se tornando parte da sociedade moderna (como
aconteceu com telefones, TV e rádio);
Gestão Organizacional: a geração e a transferência de informação é
ponto crı́tico dos negócios de hoje. As redes viabilizam esta
transferência;
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Componentes
Um sistema de comunicação é composto de cinco elementos:
Mensagem: é a informação a ser transmitida;
Transmissor: é o dispositivo que envia a mensagem;
Receptor: é o dispositivo que recebe a mensagem;
Meio: é o caminho fı́sico por onde viaja a mensagem;
Protocolo: é um conjunto de regras que governa a comunicação de dados.
Protocolo
Protocolo
Passo 1:
Passo 2:
Passo 3
...
Passo 1:
Passo 2:
Passo 3
...
Mensagem
Meio
Receptor
Transmissor
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Eficácia
A eficácia de um sistema de comunicação de dados depende das
seguintes caracterı́sticas:
Entrega: os dados devem ser entregues ao destinatário correto.
Precisão: os dados devem ser entregues de fora precisa. Dados que
foram alterados na transmissão devem ser considerados inúteis.
Sincronização: os dados devem ser entregues no momento certo.
Deve-se evitar os atrasos.
Jitter : os dados não devem sofrer muita variação no tempo de chegada,
principalmente para os dados de áudio e vı́deo. Em outras palavras, os
atrasos não devem ser regulares, por exemplo, sempre atrasar 30 s.
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Representação dos dados (Texto)
Nos sistemas computacionais modernos, e consequentemente em
redes de comunicação de dados, as informações (texto, vı́deo, áudio e
imagem) devem ser representadas por um conjuntos de 0′ s e 1′ s;
Por exemplo, para representar caracteres (texto) temos o código
ASCII de oito bits, que permitiu representar 256 sı́mbolos;
Tabela: Exemplos de caracteres na codificação ASCII
Binário
0010 1011
0011 0001
0100 0001
0110 0001
0011 1101
0111 1101
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Caracter ASCII
+
1
A
a
=
}
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Representação dos dados (Texto)
Com a disseminação dos computadores surgiu a necessidade de
representar caracteres diferentes daqueles apresentados no ASCII, por
exemplo, o alfabeto japonês. Para isso, foi criado o Unicode;
O Unicode foi criado por um consórcio de empresas (como IBM,
Apple, Microsoft, Nokia, HP e outras). Esse código utiliza 16 bits (2
bytes) e permite a representação de 65.536 sı́mbolos;
Desta forma, o Unicode representa uma grande quantidade de
sı́mbolos diferentes, entre eles os alfabetos árabes, grego, hebraico,
japonês e latino, formas geométricas, padrões Braile, setas e sı́mbolos
matemáticos, etc.
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Representação dos dados (Imagens)
A imagem abaixo pode ser definida como tendo pontos pretos e
pontos brancos na sua formação. Para que esta imagem possa ser
trabalhada usando um computador, é necessário adequá-la ao modelo
de numeração binária.
Para isso adotaremos o padrão:
Bit 0: quadro branco;
Bit 1: quadro preto.
Desta forma, podemos representa-la por bits 0s e 1s.
0
0
0
0
1
0
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1
0
0
0
0
1
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0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
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Representação dos dados (Imagens)
Observe que na tabela temos 6 linhas e 6 colunas. Portanto para
representarmos esta imagem gastamos 36 bits (aproximadamente 4
bytes);
Quanto mais pixels (bits) possui a imagem, ou seja quanto maior a
resolução, melhor a qualidade da imagem. No entanto, é necessário
mais memória para armazená-la.
Para representamos imagens coloridas, deve-se levar em consideração
que a imagem continuará sendo representada por pontos (pixels), mas
eles assumirão cores diferentes;
Para representarmos as cores que irão aparecer, monta-se uma tabela,
na qual uma combinação de bits representará uma determinada cor.
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Representação dos dados (Imagens)
00
01
10
11
00
00
00
00
11
00
01
00
00
00
00
11
00
00
10
00
00
11
01
00
00
00
00
11
00
00
00
00
11
00
00
00
00
00
00
00
Neste exemplo utilizamos 2 bits resultando em 4 cores;
O tamanho da figura, com o acréscimo das cores, aumentou de 36
bits para 72 bits.
Quanto maior esta combinação de bits (chamado de profundidade de
cor) maior o número de cores que podem ser representadas,
aumentando a fidelidade da imagem.
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Representação dos dados (Imagens)
Existem diversos formatos de codificação de imagens, vejamos alguns:
BMP (Windows Bitmap): padrão muito parecido com o exemplo
anterior. O tamanho da imagem é diretamente proporcional ao seu
tamanho (pontos ou pixels) e a profundidade de cor. Geralmente é
utilizado neste padrão 24 bits para cores (16.777.216 cores);
GIF (Graphic Interchange Format): utiliza algoritmos para comprimir
os dados, como isso ele consegui apresentar a mesma imagem, mas
com um tamanho menor (em bytes). A imagem comprimida
apresenta qualidade semelhante a mesma sem compressão. No
entanto, este formato possui no máximo, 256 cores, impedindo o seu
uso prático na compactação de fotografias. Este formato é utilizado
em imagens fixas e em animações;
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Representação dos dados (Imagens)
JPEG ou JPG (Joint Photographic Experts Group): formato que
utiliza um algoritmo de compressão de dados que pode gerar imagens
menores, mas, ao mesmo tempo, gera alguma perda na qualidade.
Em compensação, este formato permite apresentar de até 16 milhões
de cores por imagem. Geralmente se obtém uma compressão com
pouco perceptı́vel perda na qualidade da imagem. O JPG é o formato
de imagem mais comum usado por câmeras digitais e outros
dispositivos de captura de imagem.
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Representação dos dados (Vı́deos)
Quando várias imagens são apresentadas sucessivamente em uma
determinada velocidade, com pequenas variações de movimento entre
uma e outra, os nossos olhos são “enganados” e entendem que a
imagem está em movimento;
No cinema são 24 imagens (ou quadros) por segundo. No
computador são 30 quadros por segundo;
Vejamos a quantidade de memória necessária se utilizarmos uma
resolução de 800 x 600, colorida, e um padrão de imagem estilo BMP;
Cada quadro (imagem): 800 x 600 = 480.000 bits;
Considerando 16 milhões de cores possı́veis: 24 bits;
Tamanho de cada imagem: 480.000 x 24 = 11.520.000 ≈ 1,44 MBytes;
Sendo 30 imagens por segundo: 1,44 x 30 ≈ 43,2 MBytes/s;
Considerando um filme de 2 horas (7.200 s): 7.200 x 43,2 ≈ 311
GBytes;
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Representação dos dados (Vı́deos)
Como podemos observar se não for utilizado técnicas de compressão
de dados é difı́cil encontrar meios de armazenar esse tamanho. Desta
forma, criou-se o conceito de codec;
Um codec é um programa que codifica os dados referentes a uma
imagem em movimento para que ela seja transmitida ou armazenada
e decodifica para que a imagem em movimento possa ser visualuzada;
Neste processo de codificação, o tamanho em bytes é comprimido de
modo que os dispositivos possam armazenar e manipular estas
imagens.
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Representação dos dados (Vı́deos)
Vejamos alguns exemplos de codecs:
MPEG (Moving Picture Experts Group): utiliza técnicas de
armazenar somente os quadros principais da imagem em movimento e
simulam como seriam os quadros intermediários baseado nas
alterações. Este padrão é subdividido em:
MPEG-1: utilizado em CDs de vı́deo e SVCD;
MPEG-2: utilizado na televisão digital por cabo, televisão digital por
satélite e DVD;
MPEG-4: utilizado em discos Bluray.
AVI (Audio Video Interleave): padrão definido pela Microsoft. Este
padrão define os dados de um quadro e a diferença entre ele e o
quadro que vêm em seguida.
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Fluxo de Dados
Uma comunicação entre dois dispositivos pode ser:
Direção dos
dados
Simplex
Simplex: a comunicação é
unidirecional. Somente um dos
dispositivos é capaz de
transmitir.
Receptor
Transmissor
Direção dos
dados em T1
Direção dos
dados em T2
Half-Duplex
Half-Duplex: cada estação pode
transmitir e receber, mas nunca
ao mesmo tempo.
Full- Duplex: ambas estações
podem transmitir e receber
dados simultaneamente.
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Transmissor/Receptor
Transmissor/Receptor
Direção dos dados
num tempo
qualquer
Full-Duplex
Transmissor/Receptor
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Transmissor/Receptor
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Tipo de Conexão
A duas formas possı́veis de conexão:
Ponto a Ponto: é uma enlace
dedicado entre dois dispositivos.
Toda a capacidade do canal é
reservada para a transmissão
entre os dois;
Multiponto: é aquela na qual
mais de dois dispositivos
compartilham o mesmo enlace.
A capacidade do canal é
compartilhada.
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Ponto a Ponto
Multiponto
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Critérios de Comparação
Uma rede deve ser capaz atender a certos critérios, os mais importantes
são:
Desempenho: pode ser medida de diferentes formas, por exemplo,
tempo de trânsito (tempo que a mensagem leve para percorrer a
distância entre um dispositivo e outro) e o tempo de resposta (tempo
entre uma solicitação e uma resposta). O desempenho depende de
uma série de fatores, por exemplo, o número de usuários, tipos de
meios de transmissão, as capacidades do hardware conectado e a
eficiência da rede;
Confiabilidade: é medida pela freqüência de falhas e o tempo de
reconfiguração de um enlace após uma falha;
Segurança: tem a finalidade de assegurar a proteção das informações
que trafegam na rede do acesso não autorizado.
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Classificação das redes
Rede Local (LAN): é administrada privativamente e os enlaces entre
dispositivos estão localizados dentro de uma sala, escritório, edifı́cio
ou campus. Atualmente, o tamanho de uma LAN é limitada a alguns
quilômetros.
Redes Metropolitanas (MAN): normalmente ela é projetada para
abrangir uma cidade. Pode ser constituı́da de uma única rede ou pode
conectar várias LANs. Um exemplo são redes de provedores de
Internet em uma cidade;
Redes Geograficamente Distribuı́das (WAN): abrange grandes
distâncias geográficas podendo compreender um paı́s, um continente
ou até mesmo todo o mundo.
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Topologias Fı́sicas
É a maneira pela qual uma rede é organizada fisicamente. Dois ou
mais dispositivos se conectam a um canal, formando uma topologia.
A topologia é uma representação geométrica da relação de todos os
enlaces (canais) e dos dispositivos;
Existem quatro topologias básicas:
Barramento;
Estrela;
Anel;
Malha.
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Topologia - Barramento
É uma topologia multiponto onde todos os componentes da rede são
conectados a um único cabo, chamado de backbone;
Esta topologia foi uma das primeiras topologias adotadas no projeto
das primeiras redes locais;
Vantanges:
Fácil de instalar;
Utiliza uma quantidade menor de cabos quando comparada a outras
topologias.
Desvantagens:
Limitada pela distância e pelo número de equipamentos;
Se o cabo for danificado todos os clientes perdem a conexão;
Terminador
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Transceptores
Transceptores
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Terminador
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Topologia - Estrela
Todos os componentes são
conectados dedicadamente
(exclusivo, ponto a ponto) a um
dispositivo controlador no centro
da estrutura. Este concentrador
é geralmente um switch ou hub;
Os dispositivos não são ligados
diretamente entre si. Se um
dispositivo desejar enviar dados
a outro, primeiramente envia os
dados para o concentrador que,
por sua vez, replica os dados
para o dispositivo de destino;
Esta topologia é usada em redes
locais (LANs).
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Topologia - Estrela
Vantanges:
Fácil de instalar e
reconfigurar;
Robustez da topologia: se um
enlace falhar apenas ele é
afetado, todos os demais
permanecerão ativos. Desta
forma, facilita a identificação
das falhas;
Desvantanges:
Dependência de toda a
topologia em um único ponto.
Se ele sair de operação toda a
rede pára.
Necessita de uma quantidade
maior de cabos quando
comparado as topologias
barramento e anel.
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Topologia - Anel
Cada dispositivo possui uma conexão
ponto a ponto (dedicada) somente com
os dois dispositivos mais próximos dele
(conectados de cada lado);
Um sinal é transmitido ao longo do anel
numa única direção, de um dispositivo
a outro, até alcançar o destino. Quando
um dispositivo do anel recebe um sinal
endereçado a outro dispositivo, ele
regenera o sinal de dados e o transmite
adiante de forma unidirecional;
Utilizado em fibras ópticas e cabo
coaxial;
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Topologia - Anel
Vantanges:
Fácil de instalar e reconfigurar. Pois,
cada dispositivo é ligado apenas aos
seus vizinhos imediatos;
Desvantanges:
Com um anel simples, uma queda do
enlace pode desabilitar toda a rede.
Essa fragilidade pode ser resolvida
utilizando um anel duplo.
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Topologia - Malha
Nesta topologia cada dispositivos possui
um enlace dedicado com cada um dos
demais dispositivos da rede;
Vantanges:
É a topologia mais robustas com
relação a falhas, se um enlace se torna
inutilizável, ele não afeta o sistema
como um todo;
Facilitam na identificação de falhas;
O tráfego pode ser direcionado de
forma a evitar links com problemas;
Segurança da informação: a
informação passa do transmissor
direto para o receptor;
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Topologia - Malha
Desvantanges:
Custo elevado de instalação devido a
grande quantidade de cabeameto e
portas de comunicação: cada
dispositivo precisa ter (n − 1) portas
de comunicação a serem conectadas
às demais (n − 1) estações. Além
disso, para ligar todos os dispositivos
precisamos de n(n−1)
enlaces;
2
Complexidade da instalação e
configuração.
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Internet
Hoje é raro vermos uma LAN, MAN ou WAN isoladas; elas
geralmente estão conectadas entre si;
A Internet é formada por mais de centenas de milhares de redes
interconectadas. Milhões de usuários, diversas organizações, órgãos
do governo, escolas, institutos de pesquisa, empresas e bibliotecas em
mais de 100 paı́ses usam a Internet.
Entretanto, esse extraordinário sistema de comunicação passou a
existir apenas em 1969.
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Internet
Em meados da década de 60, os mainframes em organizações de
pesquisa eram dispositivos isolados. Computadores de diferentes
fabricantes eram incapazes de se comunicar entre si;
A agência de pesquisa (ARPA) do Departamento de Defesa dos
Estados Unidos (DoD) estava interessada em descobrir uma maneira
de conectar computadores, de forma que os pesquisadores pudessem
compartilhar suas descobertas, reduzindo os custos e eliminando
duplicação de esforços;
Em 1967 surgiu a idéia da Arpanet, uma pequena rede de
computadores conectados. A idéia era que cada computador (não
necessariamente do mesmo fabricante) estaria conectado a um
hardware especializado chamado de processador de mensagens de
interface (IMP). Os IMPs estariam conectados entre si e com os
computadores;
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Internet
Por volta de 1969, quatro universidades americanas formaram a
Arpanet através dos IMPs. As universidades foram Univeridade de
Los Angeles, Santa Bárbara, Stanford e Utah. Um software, chamado
de Protocolo de Controle de Rede (NCP) fornecia a comunicação
entre os computadores;
Em 1972, Vint Cerf e Bob Kahn desenvolveu um Protocolo de
Controle de Transmissão (TCP) necessários para conseguir a entrega
de uma mensagem de um ponto a outro. Este protocolo incluia
conceitos de encapsulamento, endereçamento e as funções de um
gateway.
Logo depois, autoridades decidiram dividir o TCP em dois protocolos:
o TCP e o IP. O IP faria o roteamento das mensagens, ao passo que
o TCP seria responsável por funções por segmentação, remontagem e
detecção de erros.
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Internet - Gráfico de Uso nos Últimos 15 anos
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Internet
Na atualidade, a maioria dos usuários que deseja conexão com a
Internet utiliza os serviço de um Provedor de Acesso à Internet (ISPs
- Internet Service Providers) da sua cidade;
ISP
local
...
ISP
local
ISP
regional
ISP
nacional
ISP
local
ISP
nacional
ISP
local
ISP
regional
...
...
...
...
ISP
nacional
ISP
Internacional
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Internet
Os provedores locais de acesso fornecem serviços diretamente a seus
usuários finais. Os ISPs locais podem estar conectados a ISPs
regionais ou diretamente a ISPs nacionais. Os ISPs regionais estão
conectados aos ISPs nacionais. Os nacionais estão conectados aos
ISPs internacionais. Os ISPs internacionais conectam paı́ses e
continentes entre si.
São exemplos de ISPs nacionais: Embratel, Rede Nacional de
Pesquisa (RNP), Oi/Brasil Telecom, AT&T, NTT, Terra, Mundivox
do Brasil, Telefonica e Intelig.
São exemplos de ISPs Internacionais: America Online, Asia Online,
Compuserve Global One, GRIC e IFX Networks.
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Padrões
Os padrões são essenciais para a interoperabilidade de equipamentos e
processos de diferentes fabricantes nacional e internacional e de
desenvolvedores de programas;
Os padrões fornecem diretrizes aos fabricantes, fornecedores, órgãos
do governo, programadores e outros provedores de serviços;
Os padrões são desenvolvidos por meio da cooperação de:
Comitês de criação de padrões: ISO, ITU-T, IEEE e Ansi;
Fóruns;
Órgãos Reguladores: ANATEL;
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Protocolos
Um protocolo é um conjunto de regras que governa a comunicação de
dados. Os protocolos definem o que é comunicado, de que forma é
comunicado e quando será comunicado. Os elementos chaves de um
protocolo são:
Semântica: revela qual o significado de cada conjunto de bits, ou
seja, como os sinal será interpretado e que ação será tomada baseada
nessa interpretação;
Temporização: define quando os dados devem ser enviados e quão
rápido eles podem enviá-los;
Sintaxe: define o formato dos dados e à ordem segundo o qual os
dados são apresentados;
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Questões
1
O que é uma rede de computadores? Que tipos de dispositivos podem
fazer parte de uma rede?
2
Defina o conceito de transmissor, receptor, canal de comunicação,
mensagem e protocolo;
3
Qual a diferença entre redes ponto a ponto e multiponto?
4
Quais as diferenças entre as redes LAN, MAN e WAN? apresente um
exemplo para cada tipo de rede.
5
Quais são as topologias básicas? descreve resumidamente o seu
funcionamento, suas vantagens e desvantagens.
6
O que é Internet? e o que é provedor de acesso?
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