Comunicação de Dados e Redes de Computadores

Autor(es): Behrouz A. Forouzan
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Por meio de uma abordagem abrangente e acessível à teoria e aplicação de rede, apresenta as características de dispositivos utilizados nas redes de comunicação com computadores empregando o modelo de cinco camadas da Internet como estrutura para o texto. Isso não apenas pelo fato de o entendimento completo desse modelo ser essencial para a compreensão da teoria de redes mais recente, como também por ele se basear em uma estrutura de interdependência em que cada camada é construída sobre a camada que está abaixo dela e suporta a camada imediatamente superior.

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Capítulo 1 - Introdução

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CAPÍTULO 1

Introdução

As comunicações de dados e as redes estão mudando a maneira pela qual fazemos negócios e o modo como vivemos. As decisões no mundo dos negócios têm de ser tomadas de forma cada vez mais rápida e aqueles que o fazem precisam obter acesso imediato a informações precisas.

Por que esperar uma semana pela chegada de um relatório da Alemanha pelo correio quando ele poderia ser transmitido de forma quase instantânea por meio das redes de computadores? Hoje em dia, as empresas dependem de redes de computadores e das ligações entre as redes. Antes, porém de perguntarmos com que rapidez conseguimos nos conectar, precisamos saber como as redes operam, que tipos de tecnologias estão disponíveis e qual arquitetura atende melhor a determinado tipo de conjunto de necessidades.

O desenvolvimento do computador pessoal possibilitou grandes mudanças nas empresas, nas indústrias, nas ciências e na educação. Uma revolução semelhante está ocorrendo nas comunicações de dados e nas redes. Avanços tecnológicos estão tornando possível que links de comunicação transportem um número cada vez maior de sinais e de forma mais rápida. Como conseqüência, os serviços estão evoluindo e possibilitando o uso dessa capacidade expandida. Por exemplo, serviços de telefonia estabelecidos por teleconferência, espera de chamadas, correio de voz e identificação de chamadas foram estendidos.

 

Capítulo 2 - Modelos de Redes

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CAPÍTULO 2

Modelos de Redes

Rede é uma combinação de hardware e software que envia dados de uma localidade a outra.

O hardware consiste no equipamento físico que transporta sinais de um ponto a outro da rede. O software consiste em conjuntos de instruções que tornam possível os serviços que esperamos de uma rede.

Podemos comparar a tarefa de se conectar em rede à tarefa de resolver um problema de matemática com um computador. O trabalho fundamental de resolver o problema com o uso de um computador é realizado pelo hardware. Entretanto, essa é uma tarefa muito entediante se apenas o hardware estiver envolvido. Precisaremos de chaves comutadoras para cada posição de memória para armazenar e manipular os dados. A tarefa se torna muito mais fácil se tivermos um software disponível. No nível mais alto, um programa pode controlar o processo de resolução de um problema; os detalhes de como isso é feito pelo hardware em si pode ser deixado para as camadas de software que são chamadas pelos níveis mais altos.

 

Capítulo 3 - Dados e Sinais

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CAPÍTULO 3

Dados e Sinais

Uma das principais funções da camada física é transportar dados na forma de sinais eletromagnéticos por um meio de transmissão. Seja a coleta de dados estatísticos de outro computador, o envio de figuras animadas de uma estação de trabalho ou fazer que uma campainha toque em um centro de controle distante, ou seja, trata-se da transmissão de dados pelas conexões de rede.

Geralmente, os dados enviados para uma pessoa ou aplicação não se encontram em um formato que pode ser transmitido por uma rede. Por exemplo, uma fotografia precisa, primeiramente, ser modificada para uma forma que o meio de transmissão seja capaz de aceitar. Os meios de transmissão funcionam através da condução de energia ao longo de um caminho físico.

Para serem transmitidos, os dados precisam ser transformados em sinais eletromagnéticos.

3.1  ANALÓGICO E DIGITAL

Tanto os dados como os sinais que os representam podem ser analógicos ou então digitais em sua forma.

 

Capítulo 4 - Transmissão Digital

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CAPÍTULO 4

Transmissão Digital

Uma rede de computadores é construída para enviar informações de um ponto a outro. Essas informações precisam ser convertidas em sinais digitais ou analógicos para a transmissão. Neste capítulo, discutiremos a primeira opção, conversão em sinais digitais; no Capítulo 5, veremos a segunda opção, conversão em sinais analógicos.

Discutimos as vantagens e desvantagens da transmissão digital em relação à transmissão analógica no Capítulo 3. Neste capítulo, mostraremos as estratégias e as técnicas utilizadas para transmitir dados em forma digital. Primeiro, trataremos das técnicas de conversão digital-digital, métodos que convertem dados digitais em sinais digitais. Em segundo lugar, veremos as técnicas de conversão analógica-digital, métodos que transformam um sinal analógico em um sinal digital. Finalmente, abordaremos os modos de transmissão de dados.

4.1  CONVERSÃO DIGITAL-DIGITAL

No Capítulo 3, discutimos sobre dados e sinais. Dissemos que os dados podem ser digitais ou analógicos. Dissemos ainda que os sinais que representam dados também podem ser digitais ou analógicos. Nesta seção, veremos como podemos representar dados digitais por meio de sinais digitais. A conversão envolve três técnicas: codificação de linha, codificação de blocos e mistura de sinais. A codificação de linha é sempre necessária; a codificação de blocos e a mistura de sinais não necessariamente.

 

Capítulo 5 - Transmissão Analógica

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CAPÍTULO 5

Transmissão Analógica

No Capítulo 3, vimos as vantagens e desvantagens da transmissão digital em relação à transmissão analógica. Vimos que, embora a transmissão digital seja muito desejável, é preciso um canal passa-baixa. Vimos também que a transmissão analógica é a única opção, caso tenhamos um canal passa-faixa. A transmissão digital foi discutida no Capítulo 4; agora discutiremos a transmissão analógica.

Converter dados digitais em um sinal analógico passa-faixa é tradicionalmente denominado conversão digital-analógica. Converter um sinal analógico passa-baixa em um sinal analógico passa-faixa é, tradicionalmente, denominado conversão analógica-analógica. Neste capítulo, discutiremos esses dois tipos de conversão.

5.1  CONVERSÃO DIGITAL-ANALÓGICA

Conversão digital-analógica é o processo de mudar uma das características de um sinal analógico baseado nas informações de dados digitais. A Figura 5.1 apresenta a relação entre as informações digitais, o processo de modulação digital-analógico e o sinal analógico resultante.

 

Capítulo 6 - Utilização da Largura de Banda: Multiplexação e Espalhamento

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CAPÍTULO 6

Utilização da Largura de Banda:

Multiplexação e Espalhamento

Na vida real, temos links com largura de banda limitada. O emprego racional dessa largura de banda tem sido, e será, um dos principais desafios da comunicação eletrônica. Entretanto, o significado de racional pode depender da aplicação. Algumas vezes, precisamos combinar vários canais de baixa largura de banda para fazermos uso de um único canal com uma largura de banda maior. Outras vezes, precisamos expandir a largura de banda de um canal para atingir objetivos como privacidade e imunidade a interferências. Neste capítulo, iremos explorar essas duas amplas categorias de utilização da largura de banda: multiplexação e espalhamento. Na multiplexação, nosso objetivo é a eficiência; iremos combinar vários canais em um só. No espalhamento, nossos objetivos são privacidade e imunidade a interferências; iremos expandir a largura de banda de um canal para inserir redundância, que é necessária para atingir essas metas.

 

Capítulo 7 - Meios de Transmissão

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CAPÍTULO 7

Meios de Transmissão

Discutimos muitas questões relacionadas com a camada física nos Capítulos 3 a 6. Neste capítulo, discutiremos os meios de transmissão de dados. Meios de transmissão estão, na verdade, localizados abaixo da camada física e são diretamente controlados por ela. Poderíamos dizer que os meios de transmissão pertencem à camada zero. A Figura 7.1 mostra a posição dos meios de transmissão em relação à camada física.

Figura 7.1   Meio de transmissão e a camada física

Emissor

Camada física

Camada física

Receptor

Meio de transmissão

Cabo ou ar

Um meio de transmissão, em termos gerais, pode ser definido como qualquer coisa capaz de transportar informações de uma origem a um destino. Por exemplo, o meio de transmissão para duas pessoas conversando durante um jantar é o ar que também pode ser usado para transmitir uma mensagem por meio de sinais de fumaça ou um código de sinais. Para uma mensagem escrita, o meio de transmissão poderia ser um carteiro, um caminhão ou um avião.

 

Capítulo 8 - Comutação

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CAPÍTULO 8

Comutação

Uma rede é um conjunto de dispositivos conectados. Toda vez que tivermos vários dispositivos, temos o problema de como conectá-los para tornar possível a comunicação um a um. Uma solução seria criar uma conexão ponto a ponto entre todos os pares possíveis de dispositivos (uma topologia de malha) ou entre um dispositivo central e todos os demais dispositivos (uma topologia estrela). Esses métodos, entretanto, não são práticos e há um desperdício quando aplicado a redes muito grandes. O número e o comprimento dos links exigem uma infra-estrutura maior não eficiente em termos de custos e a maioria desses links ficaria ociosa a maior parte do tempo.

Outras topologias que empregam conexões multiponto, por exemplo, barramento, são descartadas em decorrência das distâncias entre os dispositivos e o número total de dispositivos, os quais aumentam acima das capacidades das mídias e dos equipamentos.

Uma solução mais apropriada é a comutação. Uma rede comutada é formada por uma série de nós interligados, chamados comutadores. Os comutadores são dispositivos capazes de criar conexões temporárias entre dois ou mais dispositivos conectados ao comutador. Em uma rede comutada, parte dos nós são diretamente conectados aos sistemas finais (computadores ou telefones, por exemplo). Outros são utilizados apenas para roteamento. A Figura 8.1 mostra uma rede comutada.

 

Capítulo 9 - Uso de Redes Telefônicas e a Cabo na Transmissão de Dados

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CAPÍTULO 9

O Uso de Redes Telefônicas e a Cabo na Transmissão de Dados

As redes telefônicas foram criadas originalmente para a comunicação via sinais de voz. A necessidade de adicionalmente transmitir dados digitais resultou na invenção do modem discado.

Com o advento da Internet veio a necessidade de efetuar downloads e uploads em alta velocidade; o modem discado era simplesmente muito lento. Para tanto, as companhias telefônicas implementaram uma nova tecnologia, o DSL (Digital Subscriber Line). Embora os modems discados ainda existissem, a tecnologia DSL fornece acesso muito mais rápido à Internet utilizando a rede telefônica convencional. Neste capítulo, discutiremos a estrutura básica de uma rede telefônica.

Em seguida, veremos como os modems discados e a tecnologia DSL usam essas redes para acessar a Internet.

As redes de TV a cabo foram criadas, originalmente, para fornecer acesso para assinantes que tinham dificuldades em receber sinais de TV em conseqüência de obstáculos naturais, como montanhas. Mais tarde, a rede a cabo tornou-se popular perante um público que desejava um sinal de TV de melhor qualidade. Além disso, as redes a cabo permitiram a interligação de estações transmissoras e localidades remotas via conexões por microondas. A TV a cabo também encontrou um bom mercado como provedor de acesso à Internet, usando parte dos canais originalmente destinados a vídeo para a transmissão de dados digitais. Ao final, discutiremos a estrutura básica das redes de TV a cabo e como os cable modems são capazes de fornecer conexão de alta velocidade à Internet.

 

Capítulo 10 - Detecção e Correção de Erros

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CAPÍTULO 10

Detecção e Correção de Erros

As redes de computadores devem ser capazes de transferir dados de um dispositivo a outro com precisão. Para a maior parte das aplicações, uma rede deve garantir que os dados recebidos sejam idênticos àqueles enviados. Em qualquer instante, dados transmitidos de um nó ao nó seguinte, podem ser corrompidos no caminho. Diversos fatores podem alterar um ou mais bits de uma mensagem. Algumas aplicações exigem mecanismos eficientes para a detecção e correção de erros.

Os dados podem ser corrompidos durante uma transmissão.

Algumas aplicações exigem que os erros sejam detectados e corrigidos.

Algumas aplicações são capazes de tolerar certo nível reduzido de erros. Por exemplo, erros aleatórios em transmissões de áudio e vídeo podem ser toleráveis, mas, quando transferimos texto, esperamos alto grau de precisão.

10.1  INTRODUÇÃO

Iremos discutir, inicialmente, as questões relacionadas, direta ou indiretamente, à detecção e à correção de erros.

 

Capítulo 11 - Controle do Enlace de Dados

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CAPÍTULO 11

Controle do Enlace de Dados

As duas principais funções da camada de enlace de dados são o controle do enlace de dados e o controle de acesso ao meio de transmissão. A primeira delas, o controle do enlace de dados, trata do projeto e procedimentos para comunicação entre dois nós adjacentes: comunicação confiável de um nó a outro. Discutiremos essa funcionalidade neste capítulo.

A segunda função da camada de enlace é o controle de acesso ao meio de transmissão, ou seja, como compartilhar um enlace físico (link) de dados. Trataremos dessa funcionalidade no Capítulo 12.

Entre as funções do controle do enlace de dados, temos a montagem e a delimitação de frames (framing) e a implementação de mecanismos de controle de fluxo e de erros por meio de protocolos de comunicação de dados implementados via software, os quais possibilitam uma transmissão confiável dos frames entre os nós. Neste capítulo, iremos discutir os conceitos de framing (montagem e delimitação de frames), ou como organizar os bits que são transmitidos pela camada física. Em seguida, discutiremos o controle de fluxo e de erros. Um subconjunto deste tópico, técnicas para detecção e correção de erros, já foi abordado no Capítulo 10.

 

Capítulo 12 - Acesso Múltiplo

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CAPÍTULO 12

Acesso Múltiplo

No Capítulo 11, tratamos do controle do enlace de dados, um mecanismo que fornece um enlace físico (link) de comunicação confiável. Nos protocolos descritos até então, partimos do pressuposto de que existe um enlace (ou canal) dedicado disponível entre o emissor e o receptor. Essa hipótese pode ser verdadeira ou não. Se, de fato, tivermos um enlace dedicado, como acontece ao estabelecermos uma conexão com a Internet usando PPP como protocolo de controle de enlace, então a hipótese é verdadeira e não precisamos de nada mais.

Por outro lado, se usarmos nosso celular para ligar a outro celular, o canal (a faixa de freqüências alocada pela companhia telefônica) não é dedicado. Uma pessoa a poucos metros de distância de nós pode estar usando o mesmo canal para conversar com sua amiga.

Podemos considerar a camada de enlace como duas subcamadas. A subcamada superior é responsável pelo controle do enlace de dados, ao passo que a subcamada inferior é responsável por controlar o acesso a meios físicos compartilhados. Se o canal for dedicado, não precisamos dessa última subcamada. A Figura 12.1 mostra essas duas subcamadas da camada de enlace de dados.

 

Capítulo 13 - LANs com Fios: Ethernet

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CAPÍTULO 13

LANs com Fio: Ethernet

No Capítulo 1, vimos que uma rede local (LAN) é uma rede de computadores projetada para a cobertura de uma área geográfica limitada, como um prédio ou um campus. Embora uma LAN possa ser usada como uma rede isolada para conectar computadores em uma organização com a finalidade de compartilhar recursos computacionais, a maioria das LANs hoje em dia também é ligada a uma rede de longa distância (WAN) ou à Internet.

O mercado de redes LANs viu várias tecnologias passarem, como Ethernet, Token Ring,

Token Bus, FDDI e LANs ATM. Algumas dessas tecnologias sobreviveram por um tempo, mas a Ethernet é, sem dúvida a tecnologia dominante.

Neste capítulo, discutiremos, primeiro, de forma breve, o padrão 802 do IEEE, projetado para regulamentar a fabricação e a interconectividade entre diferentes LANs. Em seguida, nos concentraremos nas LANs Ethernet.

Ainda que a Ethernet tenha evoluído consideravelmente durante as últimas décadas ao longo de quatro gerações, o conceito principal permaneceu o mesmo. A Ethernet evoluiu para atender

 

Capítulo 14 - LANs sem Fio (Wireless LANs)

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CAPÍTULO 14

LANs sem Fio (Wireless LANs)

A comunicação sem fio é uma das tecnologias que mais cresce nos dias atuais. A demanda pela conexão de dispositivos sem o uso de cabos aumenta vertiginosamente. As Wireless LANs

(WLANs — LANs sem fio) podem ser encontradas em campi universitários, em edifícios comerciais e em vários órgãos do setor público.

Neste capítulo, nos concentraremos nas duas principais tecnologias wireless para LANs: o padrão IEEE 802.11, algumas vezes denominado wireless Ethernet, e o Bluetooth, uma tecnologia para pequenas redes LAN sem fio (WLAN). Embora ambas as tecnologias precisem de várias camadas de software para operar, nos concentraremos principalmente nas camadas física e de enlace de dados.

14.1  IEEE 802.11

O IEEE definiu as especificações para a implementação de redes LAN sem fio (WLAN), sob a recomendação IEEE 802.11 que abrange as camadas física e de enlace.

Arquitetura

O padrão define dois tipos de serviços: o Basic Service Set (BSS) e o Extended Service

 

Capítulo 15 - Conexão de LANs, Redes Backbone e LANs Virtuais

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CAPÍTULO 15

Conexão de LANs, Redes Backbone e

LANs Virtuais

Normalmente, as LANs não operam de forma isolada. Elas são conectadas entre si ou à Internet. Para interligar LANs, ou segmentos de LANs, usamos dispositivos de conexão, que podem operar em diferentes camadas da Arquitetura TCP/IP. Neste capítulo, abordamos apenas aqueles que operam nas camadas física e de enlace de dados; no Capítulo 19 trataremos daqueles que operam nas três primeiras camadas.

Após discutirmos alguns dispositivos de conexão, mostraremos como eles são empregados para criar redes backbone. Finalmente, falaremos sobre as redes locais virtuais (VLANs).

15.1  DISPOSITIVOS DE CONEXÃO

Nesta seção, dividimos os dispositivos de conexão em cinco categorias distintas, tomando como base a camada em que operam em uma rede, conforme ilustrado na Figura 15.1.

Figura 15.1    Cinco categorias de dispositivos de conexão

Aplicação

Aplicação

Gateway

Transporte

 

Capítulo 16 - WANs sem Fio: Redes de Telefonia Celular e via Satélite

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CAPÍTULO 16

WANs sem Fio: Redes de Telefonia

Celular e via Satélite

Tratamos das LANs sem fio no Capítulo 14. A tecnologia sem fio também é usada na telefonia celular e em redes via satélite. Discutiremos a primeira neste capítulo, bem como exemplos de métodos de acesso de canalização (ver o Capítulo 12). Também veremos brevemente as redes via satélite, uma tecnologia que, enfim, será interligada à telefonia celular para acessar diretamente a Internet.

16.1  TELEFONIA CELULAR

A telefonia celular é projetada para estabelecer comunicação entre duas unidades móveis, denominadas MSs (Mobile satitions — estações móveis) ou entre uma unidade móvel e outra fixa, normalmente chamada unidade terrestre. Um provedor de serviços tem de ser capaz de localizar e rastrear uma unidade que faz chamada, alocar um canal à chamada e transferir o canal de uma estação rádio base a outra à medida que o usuário que faz a chamada deixa a

área de cobertura.

Para permitir esse rastreamento, cada área de serviços celular é dividida em pequenas regiões chamadas células. Cada célula contém uma antena que é controlada por uma estação de rede com alimentação CA ou por energia solar, denominada estação rádio base (ERB). Por sua vez, cada estação rádio base é controlada por uma central de comutação conhecida como MSC

 

Capítulo 17 - SONET/SDH

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CAPÍTULO 17

SONET/SDH

Neste capítulo, introduzimos um tipo de WAN (rede de longa distância), a SONET, que é utilizada como uma rede de transporte para conduzir informações de outras WANs. Discutiremos, em primeiro lugar, a SONET como protocolo e, em seguida, mostraremos como as redes SONET podem ser construídas a partir dos padrões definidos no protocolo.

A largura de banda dos cabos de fibra óptica são compatíveis com as tecnologias de hoje que utilizam altas taxas de transferência de dados (como videoconferência) e, ao mesmo tempo, compatíveis com um grande número de tecnologias com velocidades menores. Por essa razão, a importância da fibra óptica cresce em conjunto com o desenvolvimento das tecnologias que requerem altas taxas de dados ou larguras de banda amplas para transmissão. Com sua importância, veio a necessidade de padronização. Os Estados Unidos (ANSI) e a Europa (ITU-T) responderam definindo padrões que, embora independentes, são fundamentalmente semelhantes e, em

 

Capítulo 18 - Redes de Circuitos Virtuais: Frame Relay e ATM

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CAPÍTULO 18

Redes de Circuitos Virtuais:

Frame Relay e ATM

No Capítulo 8, tratamos das técnicas de comutação. Dissemos que existem três tipos: comutação de circuitos, comutação de pacotes e comutação de mensagens. Também mencionamos que a comutação de pacotes pode usar duas metodologias: a de circuitos virtuais e a de datagramas.

Neste capítulo, mostraremos como os circuitos virtuais podem ser usados nas redes de longa distância. Duas tecnologias WAN comuns usam a comutação de circuitos virtuais. Frame Relay

é um protocolo de velocidade relativamente alta capaz de oferecer serviços não disponíveis de outras tecnologias WAN, como DSL, TV a cabo e linhas T. O ATM, como protocolo de alta velocidade, pode ser a supervia de comunicação ao empregar portadores de camada física como o SONET.

Em primeiro lugar, discutiremos o Frame Relay. Em seguida, trataremos do ATM em mais detalhes. Finalmente, mostraremos como a tecnologia ATM, que foi concebida originalmente como tecnologia WAN, também pode ser usada em LAN e LANs ATM.

 

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