arquitetura de redes

ARQUITETURA DE REDES DE
COMPUTADORES
TÓPICO:
TOPOLOGIAS DE REDES
Ulisses Guedes
TECNOLOGIA GRATUÍTA:
ARQUITETURAS DE REDE
TOPOLOGIAS
Ulisses Thadeu Vieira Guedes
2012
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ARQUITETURA DE REDES DE
COMPUTADORES
TÓPICO:
TOPOLOGIAS DE REDES
Ulisses Guedes
Conteúdo
TOPOLOGIAS DE REDE....................................................................................2
TOPOLOGIA PONTO-A-PONTO.............................................................................2
TOPOLOGIA EM BARRAMENTO............................................................................3
TOPOLOGIA EM ANEL........................................................................................4
TOPOLOGIA ESTRELA........................................................................................6
APLICAÇÃO DAS TOPOLOGIAS.........................................................................9
AS TOPOLOGIAS LÓGICAS...............................................................................10
TOPOLOGIAS DE REDE
Define-se topologia de rede física como sendo a aparência assumida pelo meio físico
ao interligar equipamentos de rede ou sistemas em rede.
Define-se topologia de rede lógica como sendo a aparência assumida pelo meio
lógico ao interligar equipamentos de rede ou sistemas em rede.
Tais topologias de redes reais física e lógica não são, necessariamente, coincidentes.
TOPOLOGIA PONTO-A-PONTO
A primeira forma de interligação entre sistemas foi através de pares metálicos em linhas
seriais. Somente os sistemas envolvidos utilizavam aquele meio tornando-o, portanto,
exclusivo. Em outras palavras, o meio físico interligava dois nós da rede ou dois pontos
da rede (Figura 1).
Fig. 1: Diagrama da Topologia Ponto-a-Ponto.
Para adicionar um novo nó a aquele grupo era necessário que um dos elementos tivesse
mais portas seriais.
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Fig. 2: A Expansão de nós na topologia Ponto-a-Ponto.
O nó adicionado (NÓ C) dependia do nó oposto (Nó B) para se comunicar com vizinho
mais distante (Nó A). Adicionar uma nova porta serial num computador daquela época
(1970) representava alto custo. Como a maioria dos computadores (Mainframes)
continham somente algumas unidades de portas seriais era mais barato inserí-los na
rede do que adquirir placas de expansão.
A Topologia Ponto-a-Ponto assim se estabelecia e apresentava algumas desvantagens.
Cada nó é um ponto crítico da rede pois a falha isola a rede em 2 segmentos físicos
adjacentes. Ou seja, a pane de um nó intermediário (Nó B ou C) quebra o enlace entre
os outros (Nós A ou D) e a distância física (geográfica) entre eles estava limitada pelas
características do meio.
Sob o ponto de vista lógico, a topologia ponto-a-ponto é bastante comum, mesmo nos
dias de hoje. Os nós intermediários tem comportamento de equipamentos de rede
conhecidos como switches, roteadores, NATs, proxies e gateways, conforme
apresentado em 03-Arquitetura de Redes-Equipamentos.
TOPOLOGIA EM BARRAMENTO
O avanço tecnológico daquela época trouxe a ideia de um barramento (meio físico =
cabo coaxial) compartilhado com os nós. O barramento é um meio passivo, pois é
energizado pelos próprios nós que o compartilham. Fisicamente, o meio físico de uma
topologia em barramento apresenta alta impedância das interfaces de acoplamento, o
que mantém a impedância da linha na tolerância admitida. Por outro lado, a distância
entre nós extremos é fator limitante.
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Fig. 3: Diagrama da topologia em Barramento.
A inserção de um novo nó dependia, apenas, da especificação de uma interface para
aquele tipo de barramento. O número de nós poderia se expandir, teoricamente, de
forma ilimitada. A remoção ou inserção do nó na rede, desde que não quebrasse a
continuidade da mesma, poderia ser feito a qualquer momento.
O barramento consistia de um cabo coaxial (grosso ou fino) com terminadores de
balanceamento de 50 Ohm. A distância máxima entre extremos era de 500 metros com
o coaxial grosso e 180 metros com o coaxial fino.
A carga equivalente da resultante dos terminadores e tamanho do cabo deve ser da
ordem de 25 +/- 2 Ohm. Com tal limitação, pode-se chegar a 250 metros de cabo
coaxial fino e com cargas de 47 Ohm nos extremos.
Contudo, a grande distância entre nós localizados nos extremos pode gerar problemas
de colisão quando dois (ou mais) sistemas acessam o barramento ao mesmo tempo,
ou em instantes muito próximos, pois nenhum daqueles detecta a presença de sinal
gerada pelo outro. A colisão também ocorre com a ruptura do barramento. Quando
acontece a ruptura ocorre um desbalanceamento de carga e o detector de colisão deixa
de operar corretamente.
A velocidade máxima testada de operação de um barramento coaxial é de 20 Mbps,
porém limita, severamente, a distância entre extremos em menos de 50 metros. Alguns
fabricantes de interface chegaram a comercializar interfaces de 15 Mbps mas o padrão
comercialmente adotado ficou limitado em 10 Mbps em half-duplex.
TOPOLOGIA EM ANEL
Enquanto um grupo de desenvolvimento trabalhava para a tecnologia de barramento
tentando resolver os problemas de colisão, um segundo grupo (da IBM) optou por
inovar a tecnologia ponto-a-ponto.
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Se o problema era o desbalanceamento então se a eletrônica for auto balanceada a
rede física poderá manter sua operação. Assim, a inovação tecnológica era uma
topologia onde o barramento é fechado, criando um anel. Uma vez que as distâncias
entre extremos por segmento é pequena então a velocidade de operação pode ser
maior (15 Mbps).
A transmissão de um quadro do Nó A para o Nó C trafega pelo segmento entre os Nós A
e B e repetida para o segmento entre os Nós B e C.
Fig. 4: Topologia em Anel Único ou Simples.
A topologia em anel único durou pouco tempo. Uma vez que os segmentos lembram
também um circuito ponto a ponto, a inserção ou remoção de outros equipamentos no
anel exige a desativação de toda a rede (Figura 4). Ou seja, se o Nó B for removido,
mesmo que a rede continue operacional, o Nó A não conseguirá transmitir para o nó C,
embora o inverso seja possível.
Fig. 5: Topologia em Anel Duplo.
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A mesma empresa implementou uma outra inovação utilizando um duplo anel. Os anéis
transmitem em direções opostas. Além disso, um nó só pode transmitir se ele detém
um quadro sinalizador denominado Token (Figura 5).
Caso o token não seja recebido em intervalos regulares é sinal que ocorreu alguma
interrupção e um novo token é negociado. O sistema que impede a continuidade do
token é automaticamente removido pelos vizinhos, que fecham os anéis e geram, sob
urgência, um anel de direção única (Figura 6). Neste caso, um dos tokens é removido.
Fig. 6: Restauração de rede por interligação
entre dos aneis interno e externo.
A grande vantagem da topologia em anel duplo está na redundância que ela
implementa. Historicamente, até então, os segmentos entre nós usavam o mesmo cabo
coaxial da topologia em barramento.
A desvantagem está no número de equipamentos do anel. Um anel com mais de 8
equipamentos torna-se excessivamente lento, mesmo que os segmentos operem em
altas velocidades o seu desempenho depende dos equipamentos envolvidos, tais como
carga computacional e capacidade de processamento.
Para amenizar aquelas limitações, foram introduzidos processadores de grande porte
nas interfaces de rede. Assim , o que antes era realizado elo processador central de
cada equipamento é realizado pelo processador dedicado. A solução, apesar de
melhorar substancialmente o desempenho esperado (400 Mbits por segundo),
apresentava a desvantagem do custo das interfaces.
Com o avanço tecnológico, aqueles processadores dedicados substituídos por micro
controladores, tornando aquele tecnologia mais competitiva e acessível.
TOPOLOGIA ESTRELA
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Mais uma inovação em vista, agora aplicada à topologia ponto-a-ponto. Com a redução
de custos das interfaces de rede e as limitações do número de equipamentos de uma
topologia em anel, buscava-se uma topologia que facilitasse a expansão do barramento,
não fosse sensível à remoção de equipamento da rede, evitasse a colisão, e
apresentasse um baixo custo.
A solução para o problema foi o desenvolvimento de um equipamento dedicado
(Equipamento Central), com várias interfaces de rede e com os segmentos
independentes (Figura 7).
Fig. 7: Diagrama da Topologia em ESTRELA.
A Topologia Estrela surgiu da distribuição dos nós ao redor do equipamento central.
Uma das características da topologia é a existência de uma topologia ponto-a-ponto
entre o Equipamento Central e os Nós.
Na expansão, caso o EC (Equipamento Central) não tenha portas suficientes, opta-se
por cascatear um segundo equipamento ao primeiro por porta, gerando uma
constelação de equipamentos centrais e computadores. (Figura 8)
Alguns ECs expõem seus barramentos internos. O objetivo é permitir a interligação
entre ECs por tais barramentos, fundindo-os (Figuras 9 e 10). O resultado de tal recurso
é melhor pois os dois (ou mais) equipamentos passam a agir como se fosse um único
EC. A desvantagem desse método é que o cascateamento por barramento exige que os
ECs sejam de um mesmo fabricante, enquanto o cascateamento por porta tal requisito
é facultativo.
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Fig. 8: Constelação envolvendo cascateamento por porta.
Fig. 9: Cascateamento por barramento.
Fig. 10: Diagrama equivalente de um cascateamento por barramento.
O uso da topologia em estrela ganhou popularidade graças ao desenvolvimento das
interfaces de par trançado. É, portanto, a topologia mais utilizada em backbones e
distribuição para redes externas onde os segmentos são de fibra ótica ou acopladas a
sistemas de rádio.
A principal desvantagem da topologia é a dependência severa do equipamento central.
Uma vez em pane, todos os equipamentos e computadores a ele conectados estarão
fora do circuito.
A vantagem está na independência dos segmentos, que podem ser ligados ou
desligados sem prejudicar os demais.
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APLICAÇÃO DAS TOPOLOGIAS
A topologia ponto-a-ponto é útil na inserção de nós temporários numa rede maior,
através de portas seriais, paralelas e, atualmente, USB, IEEE1394.
A topologia de barramento é indicada para laboratórios de testes, onde nunca se sabe o
número de equipamentos a testar, além de envolver custos baixos.
A topologia em estrela é empregada em vários tipos de rede, sendo hoje, a topologia
operacional mais comum.
A topologia em anel, por implementar redundância, é indicada em redes onde se exige
confiabilidade.
Apesar de características bem específicas, nada impede que uma rede empregue
topologias mistas, explorando as vantagens de cada tipo e cuidando das desvantagens.
Fig. 11: Diagrama de uma Topologia Mista
A Topologia mista (Figura 11) foi utilizada por vários anos em dois Centros de Pesquisa.
O enlace ponto a ponto interligava dois os dois Centros. Internamente, um deles
implementa uma topologia mista de anel e estrela, enquanto no outro uma topologia
em barramento.
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AS TOPOLOGIAS LÓGICAS
Mesmo numa topologia física estrela a visão lógica é uma topologia em barramento ou
mesmo ponto-a-ponto. A identificação de qual delas será depende do equipamento
lógico de rede em uso e da camada lógica observada.
Considere um conjunto de HUBs cascateados ou um conjunto de repetidores ou mesmo
de conversores. A topologia lógica vista sempre será a de um barramento e não de uma
estrela, pois tais equipamentos não constituem nós lógicos em nenhuma camada OSI.
Já um SWITCH, que opera analisando endereços físicos, terá duas topologias lógicas: A
topologia vista pela camada de enlace será uma topologia estrela, mais a topologia
vista pelas camadas superiores será de um barramento, pois não há distinção de ramo
lógico ou da camada de rede.
Um conjunto de ROTEADORES com várias portas cada um, será visto pelas camadas
de enlace e de rede com topologias estrela. Porém, se a topologia física for em anel
então a topologia lógica poderá ser ponto-a-ponto.
Trace um diagrama das várias topologias físicas e insira vários equipamentos de rede.
Agora, analise as topologias lógicas em função das camadas do modelo OSI. Esta é uma
das atividades que um profissional de computação faz para identificar e escolher os
equipamentos de rede a serem adquiridos num projeto de rede.
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