Redes de Computadores

* Introdução

• Redes industriais são extremamente úteis em sistemas distribuídos, permitindo que diversos elementos trabalhem de forma simultânea a fim de supervisionar e controlar um determinado processo. Tais elementos (sensores, atuadores, CLP’s, máquinas CNC, computadores, etc.) necessitam estar interligados e trocando informações de forma rápida e precisa;

• Os sistemas de comunicação são constituídos por um arranjo topológico, interligando os vários módulos processadores através de enlaces físicos (meios de transmissão) e de um conjunto de regras com a finalidade de organizar a comunicação (protocolos).

• As Redes de Computadores surgiram da necessidade evidente do estabelecimento de elos de comunicação entre os computadores e os demais equipamentos e aplicativos;

• As primeiras aplicações envolvendo a comunicação entre computadores estava voltada à utilização de periféricos, principalmente impressoras e terminais de usuários;

• A comunicação entre computadores ocorre segundo regras (protocolos) pré-definidas que permitem que a máquina receptora receba de forma inteligível os dados enviados pela máquina transmissora.

~> Década de 50 - Processamento batch

- uma única entrada de dados (cartões perfurados ou fitas) e programas (jobs) executados em lote (batch)
- Nenhuma forma de interação direta usuário-computador

Década de 60

•Surgiram os primeiros terminais interativos, e os usuários podiam acessar o computador central através de linhas de comunicação.

Sistemas distribuídos (Década de 70 e 80)

• Houve uma mudança de paradigma:
• De um computador central de grande porte, partiu-se para a distribuição do poder computacional.
• Foram desenvolvidos computadores menores (minis e micros) de bom desempenho, com pequena relação custo/benefício.

* Meios de transmissão

                                                                 Analógico X Digital

* Bases numéricas

* Bases numéricas

* Redes

Protocolos diferentes para situações diferentes

* Redes

CONCEITO

Rede de computadores é definida como um conjunto de equipamentos dispersos geograficamente e conectados através de pontos de conexão que permitem a troca de dados entre suas aplicações.

Neste conjunto de equipamentos, encontram-se computadores, impressoras, terminais, base de dados, serviços de interconexão e outros periféricos computacionais.

OBJETIVO

1. Compartilhar os recursos computacionais disponíveis sem considerar a localização física do recurso e do usuário.
2. Redução do custo de processamento.
3. Propiciar a comunicação eficiente entre pessoas geograficamente distantes.
4. Acessibilidade – Os PC´s são diretamente mais acessíveis que os mainframes. Mainframes têm mais poder de processamento que os micros más são milhares de vezes mais caros.

Componentes de uma rede

• Elementos de Hardware
• Elementos de Software

Elementos necessários à Rede

Serviços de rede
Recursos compartilhados pelos computadores
Executados por uma combinação de hardware/software
Serviços diferentes podem ser oferecidos simultaneamente

Meio de transmissão
Caminho usado para comunicação entre os computadores
Inclui as tecnologias de cabo e sem cabo

Protocolos
Regras necessárias para estabelecer a comunicação entre equipamentos de rede

CONCEITOS

Cliente: Clientes são computadores que se conectam à um computador central para requisitar que este realize alguma tarefa na qual é especializado.

Servidor: Um Servidor é uma máquina que costuma ser freqüentemente acessada por outras para que ela realize algum tipo de tarefa.

* Topologia física

* Categorias de redes

• LAN (Local Area Network)

• MAN (Metropolitan Area Network)

• WAN (Wide Area Network)

LAN - Local Area Network
Rede Local
Rede que permite a conexão entre equipamentos numa pequena região (distâncias entre 100 m e 25 km)
Este limite é apenas uma mera formalidade não sendo imposto pelos limites do hardware nem pela capacidade da rede
Altas taxas de transmissão
Geralmente de propriedade privada

MAN – Metropolitan Area Network
Redes Metropolitanas
Operam em áreas maiores que as LAN e com menores velocidades
O termo surgiu com o padrão IEE 802.6.



WAN –Wide Area Network
Redes geograficamente Distribuídas;
Surgiram da necessidade de compartilhar recursos especializados por uma maior comunidade de usuários geograficamente dispersos;
Altos custos de comunicação (circuitos para satélites e enlaces de microondas)
  • Geralmente financiadas pelo Serviço Público ou por operadoras de telecomunicações
  • Caminhos alternativos levam às fibras óticas de longa distância, repetidoras de satélite, estações rastreadoras, etc.





* Servidores

• A maior parte das redes possui um servidor dedicado.
• Um servidor dedicado é aquele que funciona apenas como servidor e não é utilizado como estação de trabalho ou cliente.

• Os servidores são “dedicados” porque são otimizados para processar rapidamente as requisições dos clientes da rede e para garantir a segurança dos arquivos e pastas.
• As redes baseadas em servidor tornaram-se o modelo padrão para a comunicação de rede.

Servidores especializados

• Conforme o tamanho e o tráfego das redes aumentam, mais de um servidor na rede é necessário. A distribuição de tarefas entre vários servidores garante que cada tarefa seja desempenhada da maneira mais eficiente possível.

Servidores de arquivos e impressão

• Os servidores de arquivo e impressão gerenciam o acesso do usuário e a utilização dos recursos de arquivos e impressora.
• Os servidores de arquivos e impressão destinam-se ao armazenamento de arquivos e de dados.

Servidores de aplicativos

• Com um servidor de arquivo e impressão, os dados ou o arquivo são carregados para o computador que fez a requisição;
• Com um servidor de aplicativo, o banco de dados fica no servidor e apenas os resultados requeridos são carregados no computador que fez a requisição.

Peer to peer (Ponto a Ponto)

• Em uma rede par-a-par, não existem servidores dedicados ou hierarquia entre os computadores. Todos os computadores são iguais e, portanto chamados pares;
• Normalmente cada computador funciona tanto como cliente quanto como servidor, e nenhum deles é designado para ser um administrador responsável por toda rede;

• O usuário determina quais os dados que são compartilhados.

* Endereçamento
• Em uma interligação em rede, o endereço de um dispositivo é sua identificação única;
• Endereços geralmente são numéricos e seguem um formato padrão bem definido;
• O endereço deve identificar a qual rede (ou área) e a qual host (ou nó) pertence o equipamento;
• Equipamentos de uma mesma rede podem se comunicar diretamente entre si usando um protocolo comum.

*Protocolos

Conceito
Protocolos são regras e procedimentos para comunicação. Por exemplo, diplomatas de uma país aderem ao protocolo para se orientarem na interação com diplomatas de outros países. A utilização das regras de comunicação aplica-se da mesma maneira no ambiente de computadores.

Na maioria das redes, as informações enviadas são quebradas em partes menores chamadas “pacotes”

Cada pacote deve conter dados de endereçamento para que possam chegar ao seu destino e serem recompostos;
Protocolo é um conjunto de regras que definem a forma de construção do pacote;
O protocolo também identifica o momento de se enviar o pacote, quais pacotes devem ser enviados, quais devem ser reenviados devido a erro de transmissão e o que fazer para que eles sejam reconstruídos.

Tipos de protocolos

• TCP/IP
• SPX/IPX
• NetBIOS
• Outros ...

Protocolos Abertos: são aqueles que podem ser usados livremente, tanto pela indústria quanto por qualquer outra pessoa, eles não possuem donos específicos e portanto podem ser encontrado em praticamente qualquer sistema. O mais popular de todos, é o TCP/IP, que é o padrão mundial da internet.

Protocolos Fechados ou Protocolos Específicos: são desenvolvidos para atuar em ambientes de rede fechadas e só podem ser usados pela empresa desenvolvedora, um exemplo, é o IPX/SPX da Novell, NetBIOS da Microsoft.

TCP/IP 

• Protocolo de Controle de Transmissão/Protocolo Internet (TCP/IP);
• Tornou-se o protocolo padrão utilizado para interoperabilidade entre muitos tipos diferentes de computadores. Essa interoperabilidade é uma das vantagens principais do TCP/IP.
• Quase todas as redes suportam o TCP/IP como protocolo. O TCP/IP também suporta e é normalmente utilizado como o protocolo de interconexão de rede;
• Devido á sua popularidade, o TCP/IP tornou-se o verdadeiro padrão para interconexão de rede.

NetBEUI 
• É um protocolo rápido e eficiente.
• As vantagens do NetBEUI são a sua velocidade de transferência de dados na mídia da rede e sua compatibilidade com todas as redes baseadas em Microsoft.
• A maior desvantagem é que ele se limita às redes baseadas em Microsoft.

As principais funções de um protocolo:
• Fragmentação e Remontagem: o protocolo deve fragmentar (quebrar) uma mensagem a ser enviada e reconstruir uma mensagem no seu destino;

• Encapsular: são as informações adicionais que “viajam” junto com a mensagem (Endereçar);

• Conexão: estabelecer a “ligação” entre dois computadores. Existe a conexão dedicada entre as estações de origem e destino para posteriormente enviar a mensagem, e conexão não dedicada a
informação é disponibilizada no meio de enlace independente do caminho o qual ira caminhar para atingir o destino;

•Ordenar a entrega: se a conexão é do tipo não dedicada os pacotes podem chegar de forma desorganizada, consequentemente o protocolo deverá organizar e reconstruir a informação no destino;

• Controlar o fluxo: é o poder de controlar a taxa de transmissão;

• Controlar erro: o protocolo deve ter um dispositivo para detectar erros, como por exemplo, o bit de paridade;

• Controle de endereçamento: identificar o endereço da camada de rede (IP), e o endereço físico da máquina (MAC).


* Dispositivos de conexão

HUB
• Hubs são dispositivos utilizados para conectar os equipamentos que compõem uma LAN.

• As conexões da rede são concentradas (também chamado concentrador) onde cada equipamento fica um segmento próprio.
• O gerenciamento da rede é favorecido e a solução de problemas facilitada, uma vez que o defeito fica isolado no segmento de rede.
• Cada hub pode receber vários micros;
• Os hubs mais comuns possuem 4, 8, 16 e 32 portas (Pode-se fazer a conexão entre hubs para aumentar a capacidade final).

SWITCH
• Os switches trazem microprocessadores internos, que garantem ao aparelho um poder de processamento capaz de traçar os melhores caminhos para o trafego dos dados, evitando a colisão dos pacotes e ainda conseguindo tornar a rede mais confiável e estável;
• A diferença entre Bridge e Switch está principalmente no número de portas, além de ter um desempenho maior por permitir várias transações ao mesmo tempo.

Bridges (Pontes)
• Conectam múltiplas LANs como por exemplo a LAN da contabilidade com a LAN do departamento de Marketing.
• Isto divide o tráfego na rede, pois as informações transitam de um lado para outro apenas quando for necessário.

Roteadores
Faz o papel de direcionador, 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 distância a ser percorrida é maior do que o recomendado (180Mts).

• Ele realiza uma ampliação no sinal já fraco dando nova força para que chegue ao ponto de destino.

* Padrões de transmissão

Ethernet

• É o mais conhecida dentre os atualmente utilizadas e está no mercado há mais tempo;

• Redução dos preços e uma relativa alta velocidade de transmissão de dados fomentaram sua ampla utilização;

• Pode ser utilizado com topologia barramento (Coaxial) ou Estrela (Par trançado com HUB).

• Neste tipo de rede, cada PC monitora o tráfego na rede e se nada detectar, eles transmitem as informações;

• Se dois clientes transmitirem informações ao mesmo tempo, eles são alertados sobre à colisão, param a transmissão e esperam um período de tempo aleatório para cada um antes de tentar novamente.

* Interfaces de comunicação

Interface serial
• Menos complexa.
• Necessita apenas de um canal de comunicação.
• Apresenta menores velocidades durante a transmissão de dados.
• Menor custo.

• Maior imunidade a ruídos.

Interface serial x interface paralela

* Padrões de interface serial

Principais padrões

• RS-232
• RS-422
• RS-485
• V.35

• USB

RS-232

• Como a comunicação é digital deve-se definir o que é o bit 0 e o que é o bit 1;
• No RS-232 o bit zero é uma tensão positiva entre +5V e + 15V para saída e entre + 3V e +15V para a entrada;
• Já o bit 1 é uma tensão negativa variando entre -5 e –15V para a saída e -3V e -15V para entrada.
• Todos esses níveis de tensão são em relação ao SG (Sinal Ground).

RS-485
• No protocolo RS-485 há apenas um par de fios para transmissão e recepção que deve ser compartilhado;
• Vantagem: possibilidade de interligar vários equipamentos que podem se comunicar entre si
através do mesmo cabo, diferente do RS-232 por exemplo;
• Muito usado em sistemas industriais onde há sistemas automatizados ligados em rede.

Qual a diferença de comunicação RS-232 e RS-485?
• RS-232 é o protocolo padrão de comunicação serial;
• Com este protocolo você poderá utilizar apenas um microterminal conectado a porta serial do PC com uma distância máxima de até 30 metros;
• Caso exista a necessidade de conectar mais de um equipamento em uma mesma porta serial utiliza-se o protocolo RS-485;
• Neste caso usa-se um conversor de protocolos denominado CP- 100;
• Esta configuração física permite utilizar até 32 equipamentos em uma única porta serial do PC e com distância máxima de até 1200 metros.

USB
Em redes industriais, hubs USB têm sido utilizados na camada física ao interligar-se CLP e redes Ethernet Industrial;
O padrão USB é (plug and play), permitindo a fácil instalação de dispositivos sem precisar desligá-los pela identificação automática e disponibilidade imediata de seus recursos, não sendo necessário a
escolha manual de endereços físicos de HW e nem de requisição de interrupção;
A versão 1.0 permite taxas de transmissão de 1,5 Mbps;
A versão 1.1 permite velocidades de 1,5 Mbps até 12 Mbps;
A versão 2.0 permite velocidades de até 480 Mbps (60 MBytes por segundo) mantendo a compatibilidade com as versões anteriores.