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TOPOLOGIAS FÍSICAS E LÓGICAS
Como você aprendeu no tópico anterior, a camada de enlace prepara os dados da rede para a rede física. Ele deve conhecer a topologia lógica de uma rede para poder determinar o que é necessário para transferir quadros de um dispositivo para outro. Este tópico explica as maneiras como a camada de enlace funciona com diferentes topologias de rede lógica.
A topologia de uma rede é o arranjo, ou relacionamento, dos dispositivos de rede e as interconexões entre eles.
Existem dois tipos de topologias usadas ao descrever redes LAN e WAN:
- Topologia física – Identifica as conexões físicas e como os dispositivos finais e os dispositivos intermediários (ou seja, roteadores, switches e pontos de acesso sem fio) estão interconectados. A topologia também pode incluir a localização do dispositivo específico, como número da sala e localização no rack do equipamento. As topologias físicas são geralmente ponto-a-ponto ou estrela.
- Topologia lógica – Refere-se à maneira como uma rede transfere quadros de um nó para o próximo. Essa topologia identifica conexões virtuais usando interfaces de dispositivo e esquemas de endereçamento IP da Camada 3.
A camada de enlace de dados “vê” a topologia lógica de uma rede ao controlar o acesso de dados à mídia. É a topologia lógica que influencia o tipo de estrutura de rede e controle de acesso à mídia usado.
A figura exibe uma topologia física de amostra para uma pequena rede de amostra.
TOPOLOGIA FÍSICA
A próxima figura exibe um exemplo de topologia lógica para a mesma rede.
TOPOLOGIA LÓGICA
TOPOLOGIAS WAN
As figuras ilustram como as WANs são comumente interconectadas usando três topologias WAN físicas comuns.
Clique em cada botão para obter mais informações.
Esta é a topologia WAN mais simples e comum. Ele consiste em um link permanente entre dois terminais.
Essa topologia fornece alta disponibilidade, mas requer que cada sistema final esteja interconectado a todos os outros sistemas. Portanto, os custos administrativos e físicos podem ser significativos. Cada link é essencialmente um link ponto a ponto para o outro nó.
Um híbrido é uma variação ou combinação de qualquer topologia. Por exemplo, uma malha parcial é uma topologia híbrida na qual alguns, mas não todos, os dispositivos finais estão interconectados.
TOPOLOGIA PONTO A PONTO WAN
Topologias físicas ponto a ponto conectam diretamente dois nós, conforme mostrado na figura. Nesse arranjo, dois nós não precisam compartilhar a mídia com outros hosts. Além disso, ao usar um protocolo de comunicação serial, como protocolo ponto a ponto (PPP), um nó não precisa fazer nenhuma determinação sobre se um quadro de entrada é destinado a ele ou a outro nó. Portanto, os protocolos de enlace de dados lógicos podem ser muito simples, já que todos os quadros na mídia só podem viajar para ou dos dois nós. O nó coloca os quadros na mídia em uma extremidade e esses quadros são retirados da mídia pelo nó na outra extremidade do circuito ponto a ponto.
Nota: Uma conexão ponto a ponto pela Ethernet requer que o dispositivo determine se o quadro de entrada é destinado a este nó.
Um nó de origem e de destino pode ser conectado indiretamente um ao outro através de alguma distância geográfica usando vários dispositivos intermediários. No entanto, o uso de dispositivos físicos na rede não afeta a topologia lógica, conforme ilustrado na figura. Na figura, adicionar conexões físicas intermediárias não pode alterar a topologia lógica. A conexão lógica ponto a ponto é a mesma.
TOPOLOGIAS LAN
Em LANs de multiacesso, os dispositivos finais (ou seja, nós) são interconectados usando topologias em estrela ou estrela estendida, conforme mostrado na figura. Nesse tipo de topologia, os dispositivos finais são conectados a um dispositivo intermediário central, neste caso, um switch Ethernet. Uma estrela estendida estende essa topologia interconectando vários switches Ethernet. As topologias em estrela e estendidas são fáceis de instalar, muito escalonáveis (fáceis de adicionar e remover dispositivos finais) e fáceis de solucionar. As primeiras topologias em estrela interconectaram dispositivos finais usando hubs Ethernet.
Às vezes, pode haver apenas dois dispositivos conectados na LAN Ethernet. Um exemplo são dois roteadores interconectados. Este seria um exemplo de Ethernet usada em uma topologia ponto a ponto.
Topologias de LAN legadas
As tecnologias antigas de Ethernet e Token Ring LAN incluíam dois outros tipos de topologias:
- Barramento – Todos os sistemas finais são encadeados uns aos outros e terminados de alguma forma em cada extremidade. Dispositivos de infraestrutura, como switches, não são necessários para interconectar os dispositivos finais. As redes Ethernet legadas costumavam ser topologias de barramento usando cabos coaxiais porque eram baratas e fáceis de configurar.
- Os sistemas Ring – End são conectados aos seus respectivos vizinhos formando um anel. O anel não precisa ser terminado, ao contrário da topologia de barramento. Interface de dados distribuída de fibra legada (FDDI) e redes Token Ring usavam topologias em anel.
As figuras ilustram como os dispositivos finais são interconectados em LANs. É comum que uma linha reta em gráficos de rede represente uma LAN Ethernet incluindo uma estrela simples e uma estrela estendida.
TOPOLOGIAS FÍSICAS
COMUNICAÇÃO HALF E FULL DUPLEX
Compreender a comunicação duplex é importante ao discutir topologias de LAN porque se refere à direção da transmissão de dados entre dois dispositivos. Existem dois modos comuns de duplex.
Comunicação half-duplex
Ambos os dispositivos podem transmitir e receber na mídia, mas não podem fazer isso simultaneamente. WLANs e topologias de barramento legado com hubs Ethernet usam o modo half-duplex. Half-duplex permite que apenas um dispositivo envie ou receba por vez no meio compartilhado. Clique em reproduzir na figura para ver a animação que mostra a comunicação half-duplex.
Comunicação full-duplex
Ambos os dispositivos podem transmitir e receber simultaneamente na mídia compartilhada. A camada de enlace pressupõe que a mídia esteja disponível para transmissão para ambos os nós a qualquer momento. Os switches Ethernet operam em modo full-duplex por padrão, mas podem operar em half-duplex se estiverem conectados a um dispositivo como um hub Ethernet. Clique em reproduzir na figura para ver a animação mostrando a comunicação full-duplex.
Em resumo, as comunicações half-duplex restringem a troca de dados em uma direção de cada vez. Full-duplex permite que o envio e o recebimento de dados ocorram simultaneamente.
É importante que duas interfaces interconectadas, como uma NIC de host e uma interface em um switch Ethernet, operem usando o mesmo modo duplex. Caso contrário, haverá uma incompatibilidade duplex criando ineficiência e latência no link.
MÉTODOS DE CONTROLE DE ACESSO
LANs Ethernet e WLANs são exemplos de redes multiacesso. Uma rede multiacesso é uma rede que pode ter dois ou mais dispositivos finais tentando acessar a rede simultaneamente.
Algumas redes multiacesso exigem regras para controlar como os dispositivos compartilham a mídia física. Existem dois métodos básicos de controle de acesso para mídia compartilhada:
- Acesso baseado em contenção
- Acesso controlado
Acesso baseado em contenção
Em redes multiacesso baseadas em contenção, todos os nós estão operando em half-duplex, competindo pelo uso do meio. No entanto, apenas um dispositivo pode enviar por vez. Portanto, haverá um processo se mais de um dispositivo transmitir ao mesmo tempo. Exemplos de métodos de acesso baseados em contenção incluem o seguinte:
- Acesso múltiplo de detecção de portadora com detecção de colisão (CSMA / CD) usado em LANs Ethernet de topologia de barramento legado
- Acesso múltiplo de detecção de operadora com prevenção de colisão (CSMA / CA) usado em LANs sem fio
Acesso controlado
Em uma rede multiacesso com base controlada, cada nó tem seu próprio tempo para usar o meio. Esses tipos determinísticos de redes legadas são ineficientes porque um dispositivo deve esperar sua vez para acessar o meio. Exemplos de redes multiacesso que usam acesso controlado incluem o seguinte:
- Token Ring legado
- ARCNET legado
Cada nó deve aguardar sua vez para acessar o meio de rede.
Nota: Hoje, as redes Ethernet operam em full-duplex e não requerem um método de acesso.
ACESSO BASEADO EM CONTENÇÃO – CSMA/CD
Exemplos de redes de acesso baseadas em contenção incluem o seguinte:
- LAN sem fio (usa CSMA / CA)
- LAN Ethernet de topologia de barramento legada (usa CSMA / CD)
- Legacy Ethernet LAN usando um hub (usa CSMA / CD)
Essas redes operam em modo half-duplex, o que significa que apenas um dispositivo pode enviar ou receber por vez. Isso requer um processo para controlar quando um dispositivo pode enviar e o que acontece quando vários dispositivos enviam ao mesmo tempo.
Se dois dispositivos transmitem ao mesmo tempo, ocorrerá uma colisão. Para LANs Ethernet legadas, ambos os dispositivos detectarão a colisão na rede. Esta é a porção de detecção de colisão (CD) do CSMA / CD. A NIC compara os dados transmitidos com os dados recebidos, ou reconhecendo que a amplitude do sinal é maior do que o normal na mídia. Os dados enviados por ambos os dispositivos serão corrompidos e precisarão ser reenviados.
Clique em cada botão para obter uma imagem e descrição do processo CSMA / CD em LANs Ethernet legadas que usam um hub.
O PC1 tem um quadro Ethernet para enviar ao PC3. O PC1 NIC precisa determinar se algum dispositivo está transmitindo no meio. Se não detectar um sinal de portadora (em outras palavras, não está recebendo transmissões de outro dispositivo), ele assumirá que a rede está disponível para envio.
O PC1 NIC envia o quadro Ethernet quando o meio está disponível, conforme mostrado na figura.
Todos os dispositivos conectados ao hub receberão o quadro. No entanto, como o quadro tem um endereço de link de dados de destino para PC3, apenas esse dispositivo aceitará e copiará o quadro inteiro. Todas as outras NICs de dispositivo irão ignorar o quadro, conforme mostrado na figura.
ACESSO BASEADO EM CONTENÇÃO – CSMA/CA
Outra forma de CSMA usada por WLANs IEEE 802.11 é o acesso múltiplo / prevenção de colisão com detecção de portadora (CSMA / CA).
O CMSA / CA usa um método semelhante ao CSMA / CD para detectar se a mídia está limpa. CMSA / CA usa técnicas adicionais. Em ambientes sem fio, pode não ser possível para um dispositivo detectar uma colisão. CMSA / CA não detecta colisões, mas tenta evitá-las esperando antes de transmitir. Cada dispositivo que transmite inclui o tempo de duração necessário para a transmissão. Todos os outros dispositivos sem fio recebem essas informações e sabem por quanto tempo o meio ficará indisponível.
Na figura, se o host A estiver recebendo um quadro sem fio do ponto de acesso, os hosts B e C também verão o quadro e por quanto tempo o meio ficará indisponível.
Depois que um dispositivo sem fio envia um quadro 802.11, o receptor retorna uma confirmação para que o remetente saiba que o quadro chegou.
Quer seja uma LAN Ethernet usando hubs ou uma WLAN, os sistemas baseados em contenção não se adaptam bem ao uso de mídia pesada.
Nota: LANs Ethernet usando switches não usam um sistema baseado em contenção porque o switch e a NIC do host operam em modo full-duplex.