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Princípios das Telecomunicações Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Prof. Esp. Alexandre Leite Nunes Revisão Textual: Prof. Esp. Claudio Pereira do Nascimento Redes Aplicadas e Internet • Introdução; • Arquitetura de Camadas; • Atraso e Perda em Redes de Comutação de Pacotes; • Gerenciamento de Rede. • Estudar as redes de dados e internet. OBJETIVO DE APRENDIZADO Redes Aplicadas e Internet Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional, siga algumas recomendações básicas: Assim: Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e horário fixos como seu “momento do estudo”; Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo; No material de cada Unidade, há leituras indicadas e, entre elas, artigos científicos, livros, vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você tam- bém encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados; Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discus- são, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de aprendizagem. Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Determine um horário fixo para estudar. Aproveite as indicações de Material Complementar. Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma Não se esqueça de se alimentar e de se manter hidratado. Aproveite as Conserve seu material e local de estudos sempre organizados. Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias! Isso amplia a aprendizagem. Seja original! Nunca plagie trabalhos. UNIDADE Redes Aplicadas e Internet Introdução Sabemos muito bem que a Internet é atualmente a rede de computadores mais utilizada e que ainda segue em plena expansão. É claro que, em termos de rede de comunicação, a internet não é única, mas sem sombras de dúvida é a mais uti- lizada, servindo de veículo para discussão e divulgação dos mais diversos assuntos, entre outras aplicações. Quando nos referimos a uma rede de computadores, estamos falando da ligação entre dois computadores ou mais através de cabos ou sistema wireless, permitindo a troca de informações e o compartilhamento de recursos entre os computadores, impressoras e demais hardwares ligados a esta rede. A Internet é um bom exemplo de rede de computadores que ultrapassa as pa- redes de um escritório ou de uma residência, sendo possível, por exemplo, a partir de sua casa, imprimir um arquivo em uma impressora 3D, instalada na china, como se isso fosse feito na sua própria casa. Desta forma, podemos notar que a conexão em rede pode ter várias configu- rações diferentes, desde a rede mais simples composta por dois ou mais computa- dores interconectados por um meio físico (cabos), chamado comumente de enlace de comunicação, e os computadores tratados como nós, ou simplesmente enlace ponto a ponto (Figura 1). Quando este sistema de rede possui mais de dois compu- tadores interligados, temos um enlace multiponto (Figura 2), que utiliza a tecnologia de rede local LAN (Local Area Network). As redes de computadores, há muito tempo, deixaram as salas e prédios e se transformaram em gigantescos sistemas de troca de informações de alcance mun- dial, utilizando-se das redes metropolitanas (MAN – Metropolitan Area Network) ou redes de alcance global (WAN – Wide Area Network), onde os computadores trocam informações mesmo separados por um oceano, por exemplo, necessitam, portanto, de uma rede comutada (Figura 3). Figura 1 – Enlace de Comunicação Figura 2 – Enlace Multiponto 8 9 Telefones Digitais Telefones Analógicos Router PABX HÍBRIDO SITE C SITE B Telefone IP Rede Pública de Telefonia (PSTN) OperadoraInternet Telefone IP Telefones Analógicos Softphone ATA ou Gateway IPBX Router LAN SITE A Figura 3 – Sistema de Rede Comutada Um meio utilizado para conectar computadores em uma rede de alcance mun- dial é a Internet, que é uma rede mundial de computadores responsável por conec- tar milhões de computadores espalhados por todo o planeta (Figura 4). Toda essa comunicação, seja de dados de pessoas ou empresas, páginas web, correio eletrô- nico etc, precisa de uma “linguagem própria” para se comunicar, essa linguagem é chamada de protocolo de comunicação, ela controla o envio e a recepção das informações na Internet, trabalhando como um intérprete entre duas pessoas de nacionalidades diferentes. Exemplo destes protocolos são o TCP (Transmission Control Protocol) e o IP (Internet Protocol). O uso destes protocolos deu origem ao conhecido nome TCP/ IP ou protocolo da internet. workstationroteador servidor móvel ISP local ISP regional Rede da empresa Figura 4 – Sistema de Rede Via Internet 9 UNIDADE Redes Aplicadas e Internet Para que todos os dispositivos conectados à internet possam trocar informações, existe um grande número de hardwares envolvidos, como pode ser visto na Figura 4. Entre eles estão os roteadores ou gateways e todas as informações trocadas entre os computadores, seja na rede local ou via internet, as quais são divididas e “empacotadas” em grupos de mensagens chamados de pacotes que facilitam a transmissão. O protocolo que vimos anteriormente chamado IP é o responsável por encaminhar e juntar os pacotes quando entregue ao destinatário; o destinatário é reconhecido por um endereço que a ele é destinado, conhecido como endereço IP, aquele que nos é bastante comum 192.168.0.1, ou mesmo um endereço do tipo www.paginatal.com. Arquitetura de Camadas A internet, como conhecemos, só funciona porque se apoia em um protocolo chamado TCP/IP; este foi o primeiro protocolo lançado e até hoje é a base do sis- tema WWW, tornando-se um protocolo padrão para redes do tipo WAN. Todo trabalho só é possível graças a aplicação dos roteadores (gateway), que são equipamentos digitais capazes de realizar todo o endereçamento das informações na internet. O protocolo TCP/IP é, na verdade, um sistema complexo composto por quatro camadas (Figura 5) divididas em: • Camada de aplicação; • Camada de transporte; • Camada de rede; • Camada de enlace/física. Modelo TCP/IP 4 camadas Aplicação Transporte Internet Link Figura 5 – Camadas do Protocolo TCP/IP 10 11 Camada de Aplicação Na camada de aplicação está a parte responsável pelo suporte às aplicações de rede, é nessa camada que encontramos vários protocolos aplicados ao gerencia- mento e funcionamento das aplicações no computador do usuário, dentre esses protocolos estão o HTTP (Hypertext Transfer Protocol), o SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), o FTP (File Transfer Protocol), o SNMP (Simple Network Management Protocol), o DNS (Domain Name Service) e o TELNET (Terminal Virtual), dentre todos estes, o mais utilizado é o HTTP, pois dá suporte ao funcio- namento da internet ou World Wide Web (www). Camada de Transporte A camada de transporte, que está posicionada entre as camadas de aplicação e de rede, tem a função de ser um canal de comunicação lógico entre os processos de aplicação que estão rodando entre os computadores da rede, não considerando detalhes do tipo de infra utilizada na troca de informações entre os computadores. São utilizados apenas nos computadores e não nos roteadores. A informação transmitida na rede, quando sai do emissor, é fragmentada e “em- pacotada”,PDUs (Protocol Data Unit), conforme padrão do protocolo utilizado, colocando-se em cada um dos pacotes gerados uma informação (cabeçalho), para quando chegarem ao receptor possam ser reagrupados e os pacotes seguirem para a camada de rede, onde são novamente identificados e encapsulados, formando unidades de dados de protocolo ou datagramas, O protocolo da camada de rede é o IP, que faz a comunicação entre os computa- dores ligados em rede e possui uma característica bastante complicada, pois não faz uma verificação se os dados enviados entre os computadores realmente chegaram com integridade ao receptor; esta verificação é feita pelos protocolos TCP e UPD. Camada de Rede Esta camada é responsável por fazer uma interface entre a rede e o computador, selecionando caminhos por onde os pacotes de dados possam trafegar, utilizando- -se o protocolo IP (Internet Protocol). Os dispositivos em uma rede possuem um número IP único, já que este é a sua identificação na rede. Em casos em que temos mais de um computador com mesmo IP, ocorrerá uma colisão de dispositivos e nenhum vai conseguir se comunicar. Camada de Enlace Na camada de enlace, temos dois serviços: agrupar os bits em quadros e detecção de erros. Quando os bits são agrupados, a camada de enlace define: o tamanho do quadro, o número de sequência, preâmbulos de sincronização, endereços da fonte e do destino, entre outras. A detecção de erros é feita utilizando-se o CRC (Cyclic Redundancy Check); a camada introduz bits no fim da mensagem enviada e no 11 UNIDADE Redes Aplicadas e Internet receptor, verificando a consistência da informação enviada e, se o houver falha, o receptor pode pedir para que o quadro seja retransmitido, mas isso só ocorre se os dois estiverem utilizando o mesmo protocolo. Atraso e Perda em Redes de Comutação de Pacotes As redes de computadores utilizam a comutação de pacotes, pois existe uma grande facilidade para se fazer conexões entre redes de arquiteturas diferentes, além da comutação fornecer alocação dinâmica de recursos e confiabilidade contra falhas de nó e link, tendo como grande desvantagem pouco controle sobre o atraso de pacotes. A internet é um grande exemplo do uso de comutação de pacotes, estes paco- tes são transmitidos normalmente através de uma série de nós (sistemas finais ou roteadores) até o destino, todo este caminho percorrido resulta comumente em um atraso, devido a troca de pacotes. O atraso é certamente o maior complicador na transmissão de pacotes, por este motivo, dimensionar de forma assertiva os caminhos por onde a informação vai trafegar resulta em grande ganho de confiabilidade do sistema. A análise do atraso total, considerando-se o caminho percorrido entre dois sis- temas finais, está dividido em quatro categorias principais: Atraso de Processamento (Dp) Atraso de processamento é o tempo necessário para que o cabeçalho do pacote seja examinado e se possa determinar para onde encaminhar o pacote de dados, esse valor é sempre muito baixo e impacta muito pouco no atraso total, devemos levar em consideração apenas o atraso nos roteadores, pois o atraso na máquina, devido à baixa capacidade computacional do nó, é tratado separado, mas somado ao tempo total da transmissão, nos roteadores de alta velocidade, o atraso é nor- malmente da ordem de microssegundos. Atraso de Fila (Dq) Os pacotes que chegam ao roteador são armazenados no buffer do roteador e formam uma fila, se a quantidade de pacotes na fila for grande, o tempo de atraso também o será e, caso o tráfego estiver baixo, o atraso também será; esse atraso varia de micro a milissegundos. Atraso de Transmissão (Dt) É o tempo necessário para que o primeiro e o último bit do pacote sejam trans- mitidos, esses bits são necessários para verificar a integridade da informação trans- mitida, esse tempo é da ordem de micro a milissegundos. 12 13 Atraso de Propagação (Dew) Esse é o tempo de propagação de um bit. Desde o início do enlace até o rotea- dor na sequência, é o mesmo tempo de propagação de uma onda eletromagnética através de um meio físico. Podemos analisar o atraso, separando-o em duas partes: uma de forma fixa ou determinística (Dd) e outra indeterminada ou estocástica (Ds). A parte do atraso fixo vai depender da rota escolhida para a transmissão da informação, ela independe das normas de qualidade de serviços, apenas do atraso de fila e utiliza as normas. O atraso de processamento (Dp) é determinado pelo poder de máquina do nó, variando de pacote para pacote devido às demandas de cada um ao roteador, por- tanto, esta parte é indeterminada; desta forma, Dp é dividido em duas partes: a fixa (Dpd) e a indeterminada (Dps). Atraso de Fila Este atraso varia em função da intensidade do tráfego. Perda de Pacote A perda de pacote ocorre de forma aleatória e com pouca frequência, mas se ocorrer o congestionamento, devido a um tráfego muito intenso, a quantidade de pacotes perdidos aumenta de forma elevada. Isso ocorre porque o buffer fica sem espaço de armazenamento e os pacotes perdidos são reenviados de forma automá- tica pela aplicação, causando transtorno, caso o buffer ainda esteja lotado. Congestionamento Ocorre quando a demanda de atividades ultrapassa a capacidade do roteador, portanto, teremos atrasos muito grandes para a entrega de pacotes, alto índice de reenvio e colapso do sistema. Este congestionamento é detectável analisando se o alto índice de perdas de pacotes. Gerenciamento de Rede Gerenciamento de rede vai do controle das atividades do sistema ao monito- ramento do uso dos recursos da rede. Competem ao sistema de gerenciamento: coletar informações referentes ao funcionamento da rede, filtrá-las, procurando possíveis falhas e propor soluções aos possíveis problemas encontrados. 13 UNIDADE Redes Aplicadas e Internet Figura 6 – Gerenciamento de Sistemas de Rede Fonte: Getty Images Para o correto gerenciamento de rede, o sistema de gerenciamento deve ter dispo- nível uma gama de ferramentas para esta finalidade, que estão integradas como segue: • possuir um sistema único de gerenciamento, de onde os comandos e controle do sistema possam ser disparados; • incorporação dos hardwares e softwares de controle nas estações de trabalho para auxiliar no controle da rede. O programa usado para gerenciar a rede é instalado normalmente nas estações do usuário, ou hospedeiros, e nos equipamentos de processamento de comunica- ção, como roteadores e switches. O sistema de gerenciamento é composto em sua versão mais básica por bancos de dados, interface com usuário, agentes e gerentes (máquina responsável pelo controle geral), esses gerentes de rede trabalham em conjunto com os agentes, trocando informações constantemente. Em uma rede local, LAN, podemos ter um tipo de gerência centralizada, com apenas um gerente; quando nosso sistema de rede se estende por vários locais distintos, WAN, precisamos de um gerenciamento distribuído, onde o controle é re- alizado por várias máquinas espalhadas pelas redes, as quais fazem parte da WAN. O sistema de gerenciamento, após grande desenvolvimento com o passar dos tem- pos, as exigências e importância das redes, no contexto atual, foram desenvolvidos al- guns padrões de gerenciamento, por exemplo, o RMON (Remote Monitoring), SNMP e o TMN (Telecommunications Management Network) e, por fim, o CMISE/CMIP (Commom Management Information Service Element/Commom Management Information Protocol). Gerência de Falhas (Fault) Dentro deste sistema de gerenciamento, existe a Gerência de Falhas (Fault). As falhas dentro de um sistema de rede é algo bastante comum, mas deve ter um acompanhamento bastante severo e exige ações corretivas imediatas. Elas são ge- renciadas dentro do sistema principal de gerenciamento, podem ser causadas, por 14 15 exemplo, por interferências magnéticas, rompimentos de cabos, excesso de erros, de solicitações, entre outras. Nós Gerenciados Agente Agente Agente AgenteFigura 7 – Componentes da Rede Em resumo, podemos dizer que a gerência de falhas está apoiada em três pilares: • Monitoramento constante dos sistemas envolvidos na rede; • Manutenção preventiva e preditiva dos sistemas gerenciados; • Tomada de decisões assertivas para restabelecer as unidades do sistema. Gerência de Configuração (Configuration) O gerenciamento de configuração está ligado aos processos de manutenção do sistema, configuração de agentes e sistemas de rede para melhor desempenho pos- sível e, na pior das situações, desconectá-lo da rede. Gerência de Contabilização (Accounting) Esta parte do gerenciamento permite ao administrador da rede verificar o com- portamento dos usuários e dispositivos com olhos no que segue: • Controlar os privilégios dos usuários, evitando que um ou outro esteja utilizan- do parte importante da rede e atrapalhando os outros usuários; • Monitorar o desempenho de cada usuário, promovendo mudanças para o me- lhor desempenho deste; • Entender as necessidades dos usuários para que seja possível planejar o cres- cimento da rede. Gerência de Desempenho (Performance) Quando existe o gerenciamento do desempenho, o foco está na monitoração das atividades e controle dos recursos, promovendo ajustes e trocas, extraindo do sistema 15 UNIDADE Redes Aplicadas e Internet informações como: nível de utilização, perfil de tráfego, vazão (throughput), gargalos, tempo de resposta, latência (atrasos), jitter, disponibilidade, níveis de QoS, perdas de pacotes etc. Gerência de Segurança (Security) O gerenciamento da segurança cuida de como as informações contidas na rede, assim como as que trafegam por ela, estejam seguras e protegidas tanto de atores internos como externos; são responsabilidades do administrador, neste caso: • Controle e gerenciamento das chaves de criptografia; • Controle das senhas e permissões de acesso; • Monitoração dos acessos realizados na rede; • Verificação e controle dos logs de acesso para possíveis tomadas de decisão. 16 17 Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Livros Laboratório de Eletricidade e Eletrônica CAPUANO, F.G.; MARINO, M. A. M. Laboratório de Eletricidade e Eletrônica. 24. Ed. São Paulo: Erica, 2007. Vídeos Networks LanXPLORER R150001 Para conhecer um Equipamento de Resolução de Problemas em Redes assista ao vídeo. https://youtu.be/8x6HdREC918 Classificação das Ondas − Brasil Escola Para pesquisar e ampliar seus conhecimentos teóricos adquiridos, assista ao vídeo Classificação das Ondas. https://youtu.be/tPcrnKtbV8Q Leitura Antenas Inteligentes Para se aprofundar em Antenas Inteligentes. http://bit.ly/32eeXTj 17 UNIDADE Redes Aplicadas e Internet Referências ALENCAR, M. S. Sistemas de Comunicações. São Paulo: Erica, 2001. CAPUANO, F. G.; MARINO, M. A. M. Laboratório de Eletricidade e Eletrônica. 24. ed. São Paulo: Erica, 2007. CARLSON, A. B. Communication Systems: An Introduction to Signals and Noise in Electrical Communication. 4. ed. Boston: Mcgraw-Hill do Brasil, 2002. DUARTE, M. de A. Eletrônica analógica básica. Coordenação Nival Nunes de Almeida. 1º ed. Rio de Janeiro: LTC, 2017. OPPENHEIM, A. V. Signal & Systems. 2. ed. New Jersey: Prentice Hall, 1996. 18